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Depuis plusieurs années, les physiciens s’attachent à comprendre le fonctionnement de la thermodynamique à l’échelle quantique. La compréhension de ces phénomènes permettrait aux chercheurs de manipuler des moteurs et, plus globalement, des machines thermiques au niveau quantique. De telles avancées pourraient ensuite, par exemple, équiper les futurs ordinateurs quantiques pour assurer leur refroidissement. Récemment, une équipe internationale de physiciens est parvenue à mettre au point le premier moteur thermique quantique fonctionnel en laboratoire.

La notion théorique de « moteur thermique quantique » existe depuis plusieurs décennies. Il a été introduit pour la première fois il y a une soixantaine d’années par Scovil et Schulz-DuBois, deux physiciens des Bell Labs, qui ont établi une analogie entre les masers à trois niveaux et les machines thermiques.

Dans les années qui ont suivi, d’autres chercheurs ont développé une variété de théories s’appuyant sur les idées de Scovil et Schulz-DuBois, introduisant des propositions de cycles thermodynamiques à l’échelle quantique. Très récemment, les physiciens ont commencé à tester certaines de ces théories en milieu expérimental.

Première preuve de concept d’un moteur thermique quantique

L’une de ces expériences a été réalisée par une équipe de chercheurs de l’Université de Waterloo, de l’Universidade Federal do ABC et du Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, qui ont réussi à faire la démonstration d’un moteur thermique quantique à rotation en laboratoire. Leur article, publié dans la revue Physical Review Letters, décrit la mise en œuvre d’un moteur thermique basé sur un système de spin 1/2 et des techniques de résonance magnétique nucléaire.

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Protocole expérimental utilisé par les chercheurs. A) Cycle thermodynamique basé sur un spin 1/2. B) Séquence de pulsation simplifiée ; le bleu correspond à une température de spin froide, et le rouge à une température de spin chaude. C) Températures requises pour l’extraction du travail. Crédits : John P. S. Peterson et al. 2019

« La soi-disant thermodynamique quantique est actuellement en cours de développement. Ce domaine émergent est également associé aux développements de la technologie quantique, qui promet une sorte de nouvelle révolution industrielle à l’échelle nanométrique avec des dispositifs perturbateurs pour le calcul, la communication, les capteurs, etc. » déclare Roberto Serra, l’un des chercheurs qui a réalisé l’étude.

Spin nucléaire, cycle d’Otto et fluctuations énergétiques

Dans leur expérience, Serra et ses collègues ont réussi à mettre en œuvre un moteur thermique quantique utilisant un spin nucléaire placé dans une molécule de chloroforme et des techniques de résonance magnétique nucléaire. Les chercheurs ont spécifiquement manipulé le spin nucléaire d’un isotope de carbone 13 à l’aide d’un champ radiofréquence, produisant finalement un cycle d’Otto (c’est-à-dire le cycle thermodynamique utilisé dans la plupart des moteurs courants).

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« La différence d’énergie entre les deux états possibles de spin nucléaire (disons de haut en bas) a été augmentée et diminuée de la même manière qu’une expansion et une compression de piston dans un moteur de voiture. Dans certaines conditions, les spins nucléaires de la molécule peuvent absorber et libérer de la chaleur de/vers les ondes radio » explique Serra.

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Les différentes propriétés et performances mesurées pour le moteur thermique quantique expérimental. Crédits : John P. S. Peterson et al. 2019

Les fluctuations énergétiques jouent un rôle crucial dans le scénario quantique sur lequel Serra et ses collègues se sont concentrés. La mesure de ces fluctuations dans un cycle thermodynamique, cependant, est une tâche extrêmement difficile, que les chercheurs ont étonnamment pu accomplir. Ils ont découvert qu’en effectuant un cycle d’Otto quantique à puissance maximale, leur moteur thermique quantique pouvait atteindre une efficacité d’extraction de travail de η≈42%, ce qui est très proche de sa limite thermodynamique (η = 44%).

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Des performances thermodynamiques plus élevées que les moteurs de voiture actuels

« Dans la présente expérience, nous avons pu caractériser toutes les fluctuations énergétiques du travail et de la chaleur, en plus de l’irréversibilité à l’échelle quantique. Le fonctionnement rapide de notre machine moléculaire produit des transitions entre les états d’énergie de spin, qui sont liés à ce que nous appelons le frottement quantique, qui réduit les performances » explique John Physerson, l’un des co-auteurs de l’étude.

« Ce type de frottement est également associé à une augmentation de l’entropie. un fonctionnement lent (qui diminue le frottement quantique) ne fournira pas une quantité considérable de puissance extraite. Ainsi, le meilleur scénario est de concilier une certaine quantité de puissance avec de faibles niveaux de frottement quantique ou de production d’entropie, de la même manière que ce que fait l’ingénierie moderne dans moteurs de voitures ».

« Dans notre expérience, le minuscule moteur à rotation atteint une efficacité proche de sa limite thermodynamique à puissance maximale, ce qui est bien meilleur que ce que les moteurs de voitures peuvent faire de nos jours. Le moteur de spin quantique ne serait pas très utile dans la pratique car le travail produit fournirait une très petite quantité d’énergie aux ondes radio. Il ne suffirait que de modifier un autre spin nucléaire. Nous sommes plus intéressés à mesurer la quantité d’énergie qu’il utilise , la quantité de chaleur qu’elle dissipe et la quantité d’entropie produite pendant le fonctionnement ».

Sources : Physical Review Letters

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