La gestion de l’énergie à l’échelle nanométrique pose encore certains problèmes, la thermodynamique des systèmes physiques microscopiques n’étant pas encore totalement comprise par les physiciens. Cependant, récemment, une équipe de chercheurs est parvenue à mettre au point le plus petit moteur thermique du monde. Une prouesse qui permettra de mieux comprendre comment manipuler l’énergie à l’échelle microscopique.
Les physiciens théoriciens du Trinity College de Dublin font partie d’une collaboration internationale qui a réussi à construire le plus petit moteur au monde — qui, en tant qu’ion calcium unique, est environ dix milliards de fois plus petit qu’un moteur de voiture.
Les travaux effectués par le groupe QuSys du professeur John Goold à la Trinity School of Physics décrivent la science à la base de ce moteur minuscule. L’étude, publiée dans la revue Physical Review Letters, explique comment les fluctuations aléatoires affectent le fonctionnement des machines microscopiques. À l’avenir, de tels dispositifs pourraient être intégrés à d’autres technologies afin de recycler la chaleur perdue et ainsi améliorer l’efficacité énergétique.
Un moteur thermique constitué d’un seul ion
Le moteur lui-même — constitué d’un seul ion calcium — est chargé électriquement, ce qui facilite son piégeage à l’aide de champs électriques. La substance de travail du moteur est le « spin intrinsèque » de l’ion (son moment angulaire). Ce spin est utilisé pour convertir la chaleur absorbée par les faisceaux laser en oscillations, ou vibrations, de l’ion piégé.
Ces vibrations, agissant comme un « volant d’inertie » permettent de capter l’énergie utile générée par le moteur. Cette énergie est stockée en paquets d’énergie appelés quantas, telles que prédits par la mécanique quantique. « Le volant d’inertie nous permet de mesurer réellement la puissance d’un moteur à l’échelle atomique, résolvant pour la première fois des quanta d’énergie uniques » déclare Mark Mitchison du groupe QuSys de Trinity.
Sur le même sujet : IBM vient de stocker des données sur la plus petite unité de stockage au monde, composée d’un atome unique
Mieux comprendre la dynamique de l’énergie à l’échelle microscopique
En démarrant le volant d’inertie au repos — ou, plus précisément, à partir de son état fondamental (l’énergie la plus basse en physique quantique) — l’équipe a observé que le petit moteur obligeait le volant à tourner de plus en plus vite. De manière cruciale, l’état de l’ion était accessible dans l’expérience, permettant aux physiciens d’évaluer avec précision le processus de dépôt d’énergie.
« Cette expérience et cette théorie ouvrent une nouvelle ère en matière d’investigation énergétique des technologies basées sur la théorie quantique, un sujet au cœur des recherches de notre groupe. L’échelle nanométrique est l’un des principaux obstacles à un calcul plus rapide et plus efficace. Comprendre comment la thermodynamique peut être appliquée dans de tels environnements microscopiques est d’une importance capitale pour les technologies futures » conclut John Goold, physicien à Trinity.
