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Termodinamica e mondo dei quanti sono conciliabili?

I principi della termodinamica e alcune sue grandezze, come l’entropia, sono sempre stati considerati inconciliabili con le leggi della meccanica, sia nella sua versione classica sia nella sua versione quantistica. Ora però molti fisici teorici stanno cercando di ridefinire le leggi termodinamiche sulla base della fisica quantistica, con alcuni risultati interessanti. Il giovane ambito di studi della termodinamica quantistica, che cerca di conciliare la teoria quantistica con i 200 anni di scienza del calore e dell’entropia, è in piena espansione. E sta anche provocando alcune accese dispute.

Molti fisici sperano che la ricostruzione della termodinamica dalle leggi della meccanica quantistica aiuterà a risolvere dilemmi a lungo dibattuti, ma non mancano le implicazioni pratiche: gli studi in questo campo potrebbero contribuire a capire se i concetti di calore e di efficienza si applicano ai piccoli componenti elettronici e anche alle macchine di dimensioni atomiche.

Nonostante la proliferazione degli approcci -molti dei quali sono stati presentati in occasione della quinta Quantum Thermodynamics Conference, che si è tenuta questo mese a Oxford – il settore è ancora controverso. Il nodo della questione è se le leggi fondamentali che governano calore ed energia su larga scala possano anche dettare il comportamento dei sistemi su scala nanometrica, oppure se siano necessarie nuove leggi.

L’interesse è in crescita: alla conferenza sulla termodinamica quantistica due anni fa parteciparono più di 100 scienziati. Questi incontri riuniscono ricercatori di diversi sottocampi che utilizzano differenti linguaggi tecnici, dice il co-organizzatore Felix Binder, fisico teorico della Nanyang Technological University di Singapore. “Ma molte barriere tra i diversi approcci stanno cadendo”. Tuttavia, alcuni fisici, come Peter Hänggi dell’Università di Augsburg, in Germania, avvertono che una parte del lavoro è indirizzata male. “Il settore è in rapida crescita, ma sull’argomento sono state scritte e dette anche un sacco di sciocchezze”, dice.

I fisici hanno ragionato sul significato delle tre leggi della termodinamica da quando furono formulate, nel XIX e all’inizio del XX secolo. Le leggi affermano che l’energia non può essere creata o distrutta; che in un sistema isolato la quantità di disordine, o entropia, non può mai diminuire; che è impossibile raffreddare un oggetto fino allo zero assoluto.

entropia
Seconda legge della termodinamica, equazione. Afferma che l’entropia di un sistema isolato non in equilibrio tenderà ad aumentare nel tempo

Ma la termodinamica è paradossale. La seconda legge, che pone anche limiti sull’efficacia con cui il calore può essere convertito in lavoro – come in un motore a vapore – è particolarmente controversa.

La legge dice che la produzione di disordine è irreversibile. Ma alcuni fisici sostengono che, a livello microscopico, questo sembra in contrasto con le leggi della meccanica – quelle di Newton o quelle della fisica quantistica. Le leggi meccaniche, dicono questi ricercatori, prescrivono che tutti i processi possono essere invertiti.

I ricercatori hanno escogitato vari approcci per risolvere questo enigma, ma nessuno ha soddisfatto tutti. “E’ sempre stata una faccenda un po’ ambigua”, dice Christian Gogolin, fisico dell’Istituto di scienze fotoniche di Castelldefels, in Spagna.

Il lavoro di Gogolin consiste nel prendere la meccanica statistica, in cui grandezze come la temperatura o il calore sono proprietà medie di sistemi costituiti da molte particelle, e svilupparne una versione quantistica.

Alcuni fisici sostengono che questo approccio statistico-meccanico indica che alcune grandezze, quali l’entropia o il calore, dipendono dalle informazioni che ha l’osservatore. In particolare, un osservatore simile a Dio, in grado di vedere tutto, potrebbe conoscere le posizioni e i movimenti di ogni particella e calcolare la loro evoluzione, e questo livello di ordine sarebbe negli occhi di chi guarda.

Questo approccio è tornato in auge negli ultimi anni, poiché molti fisici sono giunti a considerare le informazioni come qualcosa di quantificabile e dotato di un significato fisico.

La meccanica statistica è ancora più impenetrabile in sistemi costituiti da un numero relativamente esiguo di particelle governate dalle leggi quantistiche. Per esempio, se la tendenza al disordine è un fenomeno puramente statistico, in linea di principio potrebbe non essere applicabile a una singola molecola.

Eppure, negli ultimi 10 anni, i fisici teorici hanno mostrato che i sistemi quantistici tendono a raggiungere e mantenere uno stato di equilibrio – o disordine massimo – anche quando hanno solo una manciata di componenti. Alcuni esperimenti hanno confermato questo dato con un piccolo numero di atomi intrappolati nel vuoto dalla luce laser.

Inoltre, in un articolo teorico del 2011 apparso su “Nature”, Vedral e collaboratori hanno dimostrato che le correlazioni quantistiche – la capacità delle particelle di condividere uno stato quantistico entangled quando sono lontane – possono essere utilizzate per produrre lavoro meccanico.

Più di recente, i fisici hanno fatto progressi con la terza legge. In un articolo pubblicato il14 marzo su Nature Communications, Lluis Masanes e Jonathan Oppenheim dello University College di Londra hanno dimostrato che le leggi della meccanica quantistica limitano la rapidità con cui il calore può essere estratto da un oggetto, e che il raggiungimento dello zero assoluto richiederebbe una quantità di tempo infinita. Il loro lavoro sembra confermare che la terza legge emerge dalla meccanica quantistica.

Una proposta più radicale dei fisici teorici di Oxford Chiara Marletto e David Deutsch prevede una serie di principi che tutte le teorie fisiche devono soddisfare, una sorta di “teoria del Tutto” da cui dovrebbero derivare le leggi come la meccanica quantistica. E in un preprint del 2016, Marletto ha abbozzato in che modo questa serie di meta-leggi portino a ridefinire i concetti termodinamici in termini di regole a cui devono obbedire le trasformazioni fisiche.

Qualunque sarà, l’esito di questi dibattiti può avere implicazioni per le tecnologie future. I fisici hanno realizzato “motori termici quantistici” – che possono trasformare il calore in lavoro a livello quantistico. Applicazioni come l’informatica quantistica si stanno muovendo dal mondo teorico al mondo reale: capire la termodinamica su scala molto piccola potrebbe essere cruciale.

“È necessario progettare algoritmi che siano non solo più veloci”, dice Renner, “ma anche termodinamicamente ottimizzati.”

La strana termodinamica del mondo dei quanti

Se due “nubi” di atomi ultrafreddi sono messe a contatto fra loro, il sistema ottenuto non tende a raggiungere linearmente l’equilibrio termico, ma può  trovarsi a lungo in uno stato quasi-stazionario intermedio. Ora si è scoperto che questa peculiare transizione tra ordine e disordine non dipende dalla temperatura dello stato iniziale del sistema, ma è dovuta a fenomeni quantistici. La spiegazione di questo fenomeno ha implicazioni di carattere tecnologico per i futuri computer quantistici e per la comprensione dei primi istanti di vita dell’universo dopo il big bang.

Agli atomi ultra-freddi non piace essere scaldati, sono colpiti da “nostalgia”. Si potrebbero riassumere così i risultati di una ricerca, pubblicata su “Science”, condotta da fisici del Centro di fisica e tecnologia quantistica di Vienna in collaborazione con fisici della Harvard University e dell’Università di Heidelberg.

Se mettiamo un cubetto di ghiaccio nell’acqua, presto i ben ordinati cristalli di ghiaccio si trasformano in un liquido disordinato e il sistema raggiunge l’equilibrio termico. Nel mondo a scala quantistica le cose appaiono però più complesse: tra uno stato ordinato iniziale e uno stato finale statisticamente ben mescolato può emergere uno “stato quasi-stazionario intermedio” che mostra già alcune proprietà simili a quelle di equilibrio, ma anche un certo residuo dell’ordine dello stato iniziale che dura per un tempo molto lungo.

Questo fenomeno viene chiamato “pre-termalizzazione”. Secondo la teoria, la pre-termalizzazione ha un ruolo importante in molti diversi processi di non equilibrio in fisica quantistica che potrebbero aiutare a capire lo stato dell’universo primordiale.

nubi di atomi
Dopo aver creato due nubi di atomi ultrafreddi (in alto) i ricercatori le hanno riunite e osservato lo schema di interferenza delle onde di materia. (Cortesia Vienna University of Technology)

“Nei nostri esperimenti abbiamo iniziato con un gas quantistico unidimensionale di atomi ultrafreddi, un cosiddetto condensato di Bose-Einstein, che è poi diviso in due parti”, spiega Jörg Schmiedmayer, che ha diretto lo studio. Quando poi le due parti del condensato sono messe nuovamente insieme, si crea uno schema di interferenza di onde di materia ordinato. “La forma di questa figura di interferenza ci mostra che le due ‘nubi’ non hanno ancora dimenticato che prima appartenevano alla nube di origine.”

Dopo un certo tempo, la nube atomica suddivisa dovrebbe tendere verso l’equilibrio termico.

Quanto più tempo trascorre prima che le due metà del sistema vengano ricongiunte, tanto più negli schemi di interferenza si osserva un decadimento. “La cosa sorprendente è che l’ordine non raggiunge direttamente un minimo. Prima decade rapidamente, ma poi rimane in uno stato intermedio, il cosiddetto stato pre-termalizzato”, dice Michael Gring, che ha partecipato alla ricerca.

nubi di atomi
Riunendo le nubi ultrafredde subito dopo averle separate, le frange d’interferenza formano linee rette che rappresentano l’esistenza di un elevato ordine nel sistema. Col tempo, le frange ai margini appaiono sempre più casuali, che rappresenta la perdita di informazioni. (Cortesia Vienna University of Technology)

Non appena scoperto, questo fenomeno ha rappresentato un enigma. Successivamente, grazie anche alla collaborazione con due gruppi di fisici teorici della Harvard University e dell’Università di Heidelberg, i sorprendenti risultati sembrano aver trovato una spiegazione. “Il disturbo osservato nello stato intermedio non dipende dalla temperatura dello stato iniziale. Viene introdotto nel sistema dalle leggi della fisica quantistica, quando la nube atomica è divisa in due”, spiega Schmiedmayer.

La transizione dei sistemi verso l’equilibrio termico è importante in molti campi della fisica quantistica, dato che un esperimento quantistico non può mai essere effettuato esattamente alla temperatura dello zero assoluto. Eseguire calcoli o memorizzare dati con un computer quantistico crea inevitabilmente stati di non-equilibrio, che tendendo verso un equilibrio termico rischiano di distruggere l’informazione quantistica.

Ma lo studio dello stato intermedio potrebbe essere interessante anche per la fisica del plasma di quark e gluoni. Frazioni di secondo dopo il big bang, tutta la materia dell’universo era in un stato di plasma di quark e gluoni che non era in condizioni di equilibrio.

Come la fisica quantistica sta cambiando le regole

Un fisico dovrebbe aver perso la ragione per tentare di violare le leggi della termodinamica. Eppure è possibile modificarle. In un laboratorio all’Università di Oxford, in Gran Bretagna, un gruppo di fisici quantistici sta cercando di farlo con un piccolo campione di diamante sintetico.

All’inizio, il diamante è appena visibile, posto all’interno di una caotico groviglio di fibre ottiche e specchi. Ma quando si accende un laser verde, i difetti del diamante sono illuminati e il cristallo inizia a brillare. In quella luce, i ricercatori hanno trovato le prove preliminari di un effetto teorizzato solo pochi anni fa: un boost quantistico che amplificherebbe la potenza del segnale in uscita dal diamante oltre il limite posto dalla termodinamica classica.

Se i risultati fossero confermati, sarebbe una vera manna per la termodinamica quantistica, un campo di studi relativamente nuovo che mira a scoprire le leggi che regolano i flussi di calore ed energia su scala atomica.

apparato sperimentale
L’apparato sperimentale del gruppo di Oxford (Jonas Becker)

C’è ragione di sospettare che nel dominio quantistico le leggi della termodinamica, basate sul comportamento di un gran numero di particelle, siano diverse. Negli ultimi cinque anni, intorno a questa idea è cresciuta una comunità quanto-termodinamica. Quello che una volta era il dominio di una manciata di teorici, ora include alcune centinaia di fisici teorici e sperimentali in tutto il mondo. “Questo ambito sta progredendo così in fretta che riesco a malapena a stare al passo”, dice Ronnie Kosloff, della Hebrew University di Gerusalemme, un pioniere di questi studi.

Alcuni dei fisici che si occupano termodinamica quantistica sperano di scoprire un comportamento al di fuori dell’ambito della termodinamica convenzionale che possa essere applicato a scopi pratici, tra cui il miglioramento delle tecniche di refrigerazione usate nei laboratori, la realizzazione di batterie con prestazioni migliorate e il raffinamento della tecnologia per il calcolo quantistico.

Ma questo campo di studi è ancora agli inizi. Esperimenti come quello di Oxford hanno appena cominciato a mettere alla prova le previsioni teoriche. E i fisici che non ne fanno parte stanno osservando attentamente tali prove per capire se mostrano la possibilità di applicazioni utili previste dai teorici. “La termodinamica quantistica è evidentemente un tema ‘caldo’, se mi perdonate il gioco di parole”, afferma Ronald Walsworth, dell’Università di Harvard, che è specializzato nello sviluppo di strumenti di precisione a scala atomica. “Ma per chi guarda dall’esterno, la domanda è se può davvero dare un impulso allo sviluppo delle tecnologie”.

Infrangere la legge. Le leggi della termodinamica classica sono state sviluppate nel XIX secolo. Sono il frutto dello sforzo di comprendere i motori a vapore e altri sistemi macroscopici. In natura, le quantità termodinamiche come temperatura e calore sono statistiche e sono definite in riferimento al movimento medio di grandi insiemi di particelle. Ma negli anni ottanta, Kosloff iniziò a chiedersi se questo modello avesse ancora senso per sistemi molto più piccoli. All’epoca, non era una linea di ricerca popolare, spiega, perché le domande che poneva erano in gran parte astratte, con poche speranze di una connessione con gli esperimenti. “Il campo si è sviluppato molto lentamente”, dice. “Sono rimasto da solo per anni”.

Le cose cambiarono drasticamente circa un decennio fa, quando le questioni sui limiti della miniaturizzazione tecnologica diventarono più pressanti e le tecniche sperimentali progredirono. Si fece una quantità enorme di tentativi di calcolare in che modo si potessero combinare la teoria termodinamica e la teoria quantistica. Ma le proposte che emersero crearono più confusione che chiarezza, dice Kosloff.

Alcuni sostenevano che i dispositivi quantistici avrebbero potuto violare impunemente i vincoli termodinamici classici e agire così come macchine a moto perpetuo, in grado di compiere un lavoro senza bisogno di alcun input energetico. Altri, suggerendo che le leggi della termodinamica dovessero valere senza modifiche a scale molto piccole, erano altrettanto perplessi. “In un certo senso, puoi usare le stesse equazioni per analizzare le prestazioni di un motore a singolo atomo e del motore della tua auto”, dice Kosloff. “Ma anche questo è sorprendente: sicuramente quando si va sempre più nel mondo microscopico si arriva a un limite quantistico”. Nella termodinamica classica, una singola particella non ha una temperatura. Così via via che il sistema che produce lavoro e il suo ambiente si avvicinano a quel limite, diventa sempre più assurdo immaginare che vengano rispettate le leggi termodinamiche standard, afferma Tobias Schaetz, fisico quantistico dell’Università di Friburgo.

Inizialmente, la preponderanza di affermazioni e previsioni teoriche in conflitto ha minato la credibilità di questo ambito di ricerca. “Sono stato molto critico sul settore, perché c’è tanta teoria e non abbastanza esperimenti”, dice Peter Hänggi, fisico quantistico dell’Università tedesca di Augsburg. Ma la comunità sta iniziando a concentrarsi sulle domande fondamentali, nel tentativo di aprirsi un varco nel caos. Un obiettivo è stato quello di utilizzare gli esperimenti per scoprire il punto in cui le leggi classiche della termodinamica non prevedono più perfettamente il comportamento termico dei sistemi quantistici.

James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell (1831-1879) padre fondatore della moderna teoria dell’elettromagnetismo. Il suo esperimento mentale del “diavoletto” pone un’importante questione termodinamica che è stata risolta solo di recente (Wikimedia Commons)

Gli esperimenti stanno cominciando a individuare il confine tra mondo classico e mondo quantistico. Lo scorso anno, per esempio, Schaetz e i suoi colleghi hanno dimostrato che, in determinate condizioni, stringhe di cinque o meno ioni di magnesio in un cristallo non superano quel limite, ma rimangono in equilibrio termico con il loro ambiente, così come fanno i sistemi più grandi.

Nel loro test, ogni ione era inizialmente in uno stato ad alta energia e il suo spin oscillava tra due stati corrispondenti alla direzione del suo magnetismo: “su” e “giù”. La termodinamica standard prevede che tali oscillazioni di spin dovrebbero diminuire quando gli ioni si raffreddano interagendo con gli altri atomi nel cristallo attorno a loro, proprio come il caffè caldo si raffredda quando le sue molecole si scontrano con le molecole dell’aria circostante più fredda.

Tali collisioni trasferiscono energia dalle molecole di caffè alle molecole d’aria. Un meccanismo di raffreddamento simile entra in gioco nel cristallo, dove le vibrazioni quantizzate del reticolo, chiamate fononi, estraggono calore dagli spin oscillanti. Schaetz e i suoi colleghi hanno scoperto che i loro piccoli sistemi a ioni smettevano di oscillare, il che indicava che si erano raffreddati. Ma dopo alcuni millisecondi, gli ioni hanno ricominciato a oscillare vigorosamente. Questa ripresa di attività ha un’origine quantistica, dice Schaetz. Piuttosto che dissiparsi completamente, i fononi rimbalzavano sui bordi del cristallo e tornavano indietro, in fase, verso i loro ioni di origine, ripristinando le oscillazioni di spin originali.

Schaetz dice che il suo esperimento è un segnale per gli ingegneri che stanno tentando di ridurre le dimensioni dell’elettronica attuale. “Puoi avere un cavo che ha un diametro di soli 10 o 15 atomi e pensare che abbia estratto calore dal chip, ma poi improvvisamente si verifica questo fenomeno quantistico”, spiega Schaetz. “È molto inquietante”.

I fononi di rimbalzo potrebbero creare problemi in alcune applicazioni, ma altri fenomeni quantistici potrebbero rivelarsi utili. Gli sforzi per identificare tali fenomeni erano stati bloccati dalla difficoltà di definire grandezze fondamentali, come il calore e la temperatura, nei sistemi quantistici. Ma la soluzione di un famoso esperimento mentale, elaborato 150 anni fa dal fisico scozzese James Clerk Maxwell, ha fornito un indizio su che direzione prendere, definendo un interessante legame tra informazione ed energia.

Maxwell immaginò un’entità in grado di scegliere tra molecole lente e molecole veloci, creando una differenza di temperatura tra due camere semplicemente aprendo e chiudendo una porta tra di esse. Questo “diavoletto”, come è stato chiamato, genera quindi una camera calda e una camera fredda che possono essere sfruttate per produrre energia utile. Il problema è che, scegliendo le particelle in questo modo, il diavoletto riduce l’entropia del sistema, una misura del disordine delle disposizioni delle particelle, senza aver fatto alcun lavoro sulle particelle stesse. Questo sembra violare la seconda legge della termodinamica.

Ma i fisici finalmente hanno capito che il diavoletto avrebbe pagato un “prezzo termodinamico” per elaborare le informazioni sulle velocità delle molecole. Avrebbe dovuto memorizzare, cancellare e rimemorizzare quelle informazioni nel suo cervello. Quel processo consuma energia e crea un aumento complessivo dell’entropia. Una volta si pensava che l’informazione fosse immateriale, “ma il diavoletto di Maxwell dimostra che essa può avere conseguenze fisiche oggettive”, afferma il fisico quantistico Arnau Riera, dell’Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona.

Trovare il limite. Ispirandosi all’idea che l’informazione sia una quantità fisica e che sia strettamente legata alla termodinamica, i ricercatori hanno tentato di ricostruire le leggi della termodinamica in modo che lavorino nel regime quantistico.

Le macchine a moto perpetuo possono essere impossibili. Ma inizialmente si sperava che i limiti prescritti dalla termodinamica quantistica potessero essere meno stringenti di quelli che valgono nel dominio classico. “Questo è stato il filo di pensiero che abbiamo mutuato dal calcolo quantistico: gli effetti quantistici consentono di superare i limiti classici”, afferma Raam Uzdin, fisico quantistico del Technion–Israel Institute of Technology di Haifa.

Purtroppo non è così, dice Uzdin. Analisi recenti indicano che le versioni quantistiche della seconda legge, che governa l’efficienza, e della terza legge, che vieta ai sistemi di raggiungere lo zero assoluto di temperatura, mantengono vincoli simili, e in alcuni casi più stringenti, delle loro controparti classiche.

Alcune differenze sono dovute al fatto che la quantità termodinamica macroscopica “energia libera”, cioè l’energia che un sistema ha a disposizione per funzionare, non ha una sola controparte alle microscale, ma ne ha molte, dice Jonathan Oppenheim, fisico quantistico dello University College di Londra.

Classicamente, l’energia libera viene calcolata postulando che tutti gli stati del sistema, determinati dalla disposizione delle particelle in corrispondenza di una certa energia, siano altrettanto probabili. Ma questa ipotesi non vale alle piccole scale, dice Oppenheim; alcuni stati potrebbero essere molto più probabili di altri. Per tenere conto di ciò, è necessario definire ulteriori energie libere per descrivere in modo accurato il sistema e la sua evoluzione. Oppenheim e i suoi colleghi ipotizzano che esistano diverse versioni della seconda legge per ogni tipo di energia libera e che i dispositivi quantistici debbano obbedire a tutte. “Dal momento che la seconda legge ti dice che cosa non è consentito fare, in qualche modo, sembra che avere più leggi alle microscale sia peggio”, dice Oppenheim.

Gran parte del lavoro per calcolare le leggi equivalenti della seconda e della terza legge rimane, per ora, teorico. Ma i proponenti sostengono che possa aiutare a capire in che modo i limiti termodinamici siano fisicamente applicati alle piccole scale. Per esempio, un’analisi teorica condotta da una coppia di fisici quantistici argentini ha mostrato che quando un frigorifero quantistico si avvicina allo zero assoluto, nelle vicinanze del dispositivo appaiono spontaneamente dei fotoni. “Ciò scarica energia nell’ambiente circostante, provocando un effetto di riscaldamento che contrasta il raffreddamento e impedisce di raggiungere lo zero assoluto”, spiega Nahuel Freitas della Ciudad University di Buenos Aires, membro del gruppo.

La teoria ha anche rivelato un potenziale spazio di manovra. Con un’analisi teorica che esaminava il flusso di informazioni tra camere calde e fredde o “bagni” di particelle, un gruppo di Barcellona, che includeva Riera e il fisico quantistico Manabendra Nath Bera, ha scoperto uno strano scenario, in cui il bagno caldo sembrava diventare spontaneamente ancora più caldo, e il bagno freddo ancora più freddo.

“In un primo momento è sembrata una follia, come se si potesse violare la termodinamica”, dice Bera. Ma i ricercatori  hanno capito presto di aver trascurato l’entanglement quantistico: le particelle nei bagni possono diventare entangled. In teoria, produrre e rompere queste correlazioni offre un modo per immagazzinare e rilasciare energia. Una volta che questa risorsa quantistica è stata tenuta in conto, le leggi della termodinamica hanno ripreso a valere.

Alcuni gruppi indipendenti hanno proposto di usare questo entanglement per immagazzinare energia in una “batteria quantistica” e un gruppo dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova sta tentando di confermare le previsioni del gruppo di Barcellona con batterie costituite da bit quantistici, o “qubit”, superconduttori. In linea di principio, tali batterie quantistiche potrebbero caricarsi in modo molto più veloce dei loro corrispettivi classici. “Non sarai in grado di estrarre e conservare più energia di quanto consentito dal limite classico”, dice Riera. “Ma potresti essere in grado di accelerare le cose”.

Alcuni ricercatori stanno cercando modi più semplici per manipolare qubit per le applicazioni di calcolo quantistico. Il fisico quantistico Nayeli Azucena Rodríguez Briones dell’Università di Waterloo, in Canada, e i suoi colleghi hanno definito un’operazione che potrebbe migliorare il raffreddamento necessario per le operazioni di calcolo quantistico manipolando coppie di livelli di energia dei qubit. Attualmente hanno in programma di verificare questa idea in laboratorio usando qubit superconduttori.

Una piccola scintilla. L’idea che gli effetti quantistici possano essere sfruttati per migliorare le prestazioni termodinamiche ha ispirato anche l’esperimento col diamante in corso a Oxford, che è stato proposto per la prima volta da Kosloff, Uzdin e Amikam Levy della Hebrew University.

I difetti creati dagli atomi di azoto diffusi attraverso il diamante possono servire come motore, una macchina che esegue un’operazione dopo essere stata messa a contatto con un primo serbatoio caldo (in questo caso un laser) e poi con uno freddo. Ma Kosloff e colleghi si aspettano che un tale motore possa operare anche in una modalità avanzata, sfruttando un effetto quantistico che consente ad alcuni degli elettroni di esistere in due stati di energia contemporaneamente. Mantenere queste sovrapposizioni pulsando la luce laser invece di usare un fascio continuo dovrebbe consentire al cristallo di emettere fotoni a microonde più rapidamente di quanto non avverrebbe in altro modo (si veda l’infografica di “Nature”).

La scorsa settimana, il gruppo di Oxford ha pubblicato un’analisi preliminare che dimostra il previsto boost quantistico. L’articolo è ancora in fase di revisione, ma se il lavoro dovesse reggere “sarebbe un progresso notevole”, dice Janet Anders, un fisico quantistico dell’Università di Exeter, nel Regno Unito. Ma, aggiunge, non è ancora chiaro esattamente cosa rende possibile questo effetto. “Sembra che sia un combustibile magico: non agisce tanto aggiungendo energia, ma consentendo al motore di estrarre energia più velocemente”, dice Anders. “I fisici teorici dovranno esaminarlo per capire come funziona”.

Concentrarsi sugli esperimenti è un passo importante nella giusta direzione per rivitalizzare il settore, dice Hänggi. Ma secondo lui gli esperimenti non sono ancora abbastanza audaci da fornire risultati veramente innovativi. C’è anche il problema che i sistemi quantistici possono essere irrimediabilmente disturbati dalla misurazione e dall’interazione con l’ambiente. Di rado però questi effetti sono considerati a sufficienza nelle proposte teoriche di nuovi esperimenti, afferma. “E’ difficile da calcolare ed è molto più difficile da implementare in un esperimento”, dice.

Anche Ian Walmsley, capo del laboratorio di Oxford dove è stato condotto l’esperimento con i diamanti, è cauto sul futuro del settore. Anche se lui e altri sperimentatori sono stati attirati dalla ricerca sulla termodinamica quantistica negli ultimi anni, afferma che il loro interesse è stato in gran parte “opportunistico”. Hanno scoperto la possibilità di condurre esperimenti relativamente rapidi e facili sfruttando gli apparati già pronti per altri usi; per esempio, l’apparato per il difetto del diamante era già ampiamente studiato per applicazioni di calcolo quantico e di sensori. Oggi, la termodinamica quantistica sta facendo scintille, dice Walmsley. “Ma dovremo attendere per capire se continuerà così o se sarà un fuoco di paglia”.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Battle between quantum and thermodynamic laws heats up –  Davide Castelvecchi -Nature 543, 597–598 (doi:10.1038/543597a
  2. The new thermodynamics: how quantum physics is bending the rules – Zeeya Merali -Nature 551, 20–22 (doi:10.1038/551020a

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