Investigadores universitarios han desarrollado un nuevo motor térmico cuántico que produce simultáneamente trabajo (es decir, energía mecánica producida al convertir calor en movimiento o potencia) y enfriamiento.
Investigadores de la Universidad Normal de Qufu, la Universidad de Hong Kong y la Universidad de Palermo observaron un efecto térmico inusual que permite a los sistemas cuánticos absorber calor de depósitos térmicos de baja temperatura.
Este efecto inusual inspiró la creación de un nuevo motor Otto cuántico, como explicó el equipo de investigación en Physical Review Letters.
«En el orden causal indefinido (ICO), es posible que ocurran dos eventos con órdenes superpuestas», comentó Zhong-Xiao Man, coautor principal del artículo.
«En termodinámica cuántica, estos eventos se modelan como canales termalizados que actúan sobre el sistema a través de qubits controlados, creando un orden indeterminado. Trabajos anteriores han demostrado que incluso si la temperatura del canal es la misma, el sistema no necesita equilibrarse a esa temperatura. Esta es una desviación notable de la termodinámica estándar. Motivados por esto, preguntamos: ¿Qué sucede con el flujo de calor si el sistema y el canal comienzan a diferentes temperaturas?»
La termodinámica de los sistemas cuánticos puede comportarse de manera diferente que en condiciones estándar
El calor fluye naturalmente de áreas más cálidas a áreas más frías hasta que se alcanza el equilibrio térmico. Sin embargo, la mecánica cuántica y los sistemas cuánticos pueden comportarse de manera diferente de maneras que no pueden explicarse fácilmente con nuestra comprensión actual de la física. Estos comportamientos inusuales podrían aprovecharse para crear tecnologías térmicas nuevas y más eficientes.
Los investigadores querían investigar qué sucede con el calor cuando un sistema cuántico encuentra dos depósitos de calor. Su teoría condujo a la demostración de un reflujo inusual, en el que un sistema cuántico absorbe calor de un depósito térmico de baja temperatura.
El equipo pudo utilizar esta demostración para diseñar un nuevo motor Otto cuántico, un mecanismo que convierte el calor en trabajo útil.
«Realizamos experimentalmente tanto el flujo anómalo como el motor en una plataforma fotónica y obtuvimos resultados que respaldan plenamente nuestras predicciones teóricas», explicó Mann.
«La idea clave detrás de nuestro artículo es que en el mundo cuántico, pueden ocurrir dos procesos térmicos con diferentes órdenes superpuestos. Esto crea un flujo de calor inusual, permitiendo al motor extraer energía de un ambiente más frío de una manera que no es clásicamente posible».
El nuevo motor desempeña dos funciones de dispositivo.
Este nuevo motor térmico cuántico puede aprovechar un flujo de calor extraordinario para impulsar el ciclo cuántico Otto, produciendo simultáneamente trabajo útil y proporcionando funciones de enfriamiento que normalmente requerirían dos dispositivos.
«En primer lugar, identificamos una nueva forma de flujo de calor anómalo, lo que demuestra que la coherencia cuántica puede cambiar fundamentalmente la forma en que se intercambia el calor entre sistemas», dijo el coautor del estudio Julio Chirivella.
«En segundo lugar, hemos proporcionado una demostración teórica y experimental completa de estos efectos termodinámicos no convencionales en una plataforma fotónica, acercando lo que era principalmente un concepto teórico a la realización física. En tercer lugar, hemos aclarado una cuestión fundamental importante al demostrar que estos efectos no son manifestaciones exclusivas de un orden causal indeterminado, sino que también pueden reproducirse dentro de estructuras causales bien definidas».
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