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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.

moteur quatre temps

Schéma décrivant le fonctionnement du moteur ionique à quatre temps. (a) Représentation mécanique : les paraboles indiquent le potentiel du piège harmonique et les lignes indiquent le potentiel optique supplémentaire dépendant du spin qui agit sur |↑⟩ (rouge) et |↓⟩ (bleu). Les flèches dans les cercles représentant l’ion indiquent les populations de spin. (b) Représentation énergétique : les niveaux indiquent les énergies Zeeman de |↑⟩ et |↓⟩, et la taille des cercles indique les populations. Crédits : D. von Lindenfels et al. 2019

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.

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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.

energie moteur ion

Graphe présentant l’énergie (E) et le travail (W) mesurés lors de l’utilisation du moteur. Crédits : D. von Lindenfels et al. 2019

« 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.

Sources : Physical Review Letters

2 Réponses

  1. Norah

    Bravo😊Dans le futur chaque objet qui déclenche une action sera une unité à part, indépendante, un robot autorégénérant.Ce sera même la condition pour le commercialiser.Pensez à rentabiliser au maximum la surface de contact de chaque objet pour récolter l’énergie de l’environnement: la gravité, le soleil, la friction de l’air…et bien sur utilisez la tache que vous voulez attribuer à votre robot, elle méme comme source d’energie.Cela ne pourra se faire qu’en investissant massivement dans la nanotechnologie: des nanomoteurs à fission controlées pourraient alimenter le train supersonique d’Elon Musk…Il faut mimer la nature à l’échelle microscopique avec l’intégration de la chimie à l’état moléculaire…Bref, mimez Dieu Bon sang😊😊

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