Des chercheurs de l’Université de Kaiserslautern-Landau en Allemagne ont développé un prototype de moteur quantique. Si son développement aboutit à une version viable commercialement, il pourrait servir de base à une nouvelle génération de dispositifs énergétiques quantiques avancés, dont notamment les batteries quantiques.
Selon les résultats publiés par les chercheurs allemands dans la revue Nature, il est techniquement possible de construire un moteur quantique. Le mécanisme d’un tel système ne repose pas sur la combustion du carburant ou sur une réaction chimique, mais plutôt sur la modification constante des propriétés quantiques des particules situées à l’intérieur.
Dans le cadre d’une expérience visant à tester un dispositif expérimental, les scientifiques ont choisi d’utiliser des atomes de lithium. Le rendement du système est de 25%, soit relativement faible — pour comparaison, le rendement d’un moteur thermique à essence moderne est d’environ 36% (de l’énergie thermique issue du carburant convertie en énergie mécanique) —, mais il serait possible de l’améliorer en approfondissant les recherches, estiment les auteurs. Bien qu’ils reconnaissent que les moteurs quantiques, y compris leur modèle, n’en sont encore qu’à un stade expérimental, ils insistent sur le fait que s’ils sont optimisés pour des cas pratiques spécifiques, ils pourraient rapidement permettre des applications révolutionnaires.
Un changement d’état
Dans le monde quantique, chaque particule est classifiée soit comme un fermion, soit comme un boson. Ces deux catégories sont fondamentales et décrivent des types de particules très différents. Les fermions suivent le principe d’exclusion de Pauli, qui implique que deux fermions ne peuvent jamais occuper exactement le même état quantique simultanément. Plusieurs bosons, en revanche, peuvent occuper le même état quantique simultanément. Le comportement collectif d’un groupe de particules dépend donc de leur classification en tant que fermions ou bosons.
Les chercheurs ont trouvé un moyen de manipuler un ensemble d’atomes de sorte qu’ils changent leur comportement pour ressembler alternativement à des bosons et à des fermions, de façon cyclique. Cette alternance contrôlée a été exploitée pour faire fonctionner leur moteur quantique.
L’expérience implique de très basses températures, où les effets thermiques sont réduits. Les chercheurs ont donc dû refroidir les atomes de lithium à des températures proches du zéro absolu. Cette condition assure que les atomes de lithium sont dans un état où les effets quantiques sont les plus apparents et les plus contrôlables.
Cycle d’un moteur quantique
Ils ont alors utilisé des champs magnétiques pour influencer le comportement des atomes de lithium afin qu’ils agissent collectivement comme des fermions ou des bosons. Mais avant de pouvoir effectuer ces manipulations, ils ont dû amener les atomes de lithium à former des paires. Ces paires moléculaires constituent donc les entités qui sont manipulées comme cité précédemment.
Les atomes de lithium ont été initialement préparés afin qu’ils agissent comme des bosons. Par le biais du champ magnétique, ils ont été compressés, augmentant ainsi leur densité. Les chercheurs les ont ensuite influencés pour qu’ils agissent comme des fermions. La transition d’un état bosonique à un état fermionique a pour conséquence d’augmenter l’énergie collective du système. Dans le contexte d’un moteur, ce gain énergétique est crucial, car c’est cette énergie qui peut potentiellement être exploitée.
La transformation en pseudo fermions a permis au lithium de s’étendre ou de se dilater. Une fois dilatés et sous l’effet des champs magnétiques, les atomes ont retrouvé leur l’état bosonique, ce qui a eu pour effet de réduire l’énergie collective du système. Autrement dit, un moteur quantique comprime un gaz de bosons et dilate un gaz de fermions. Le cycle rappelle ainsi celui d’un moteur conventionnel (thermique par exemple), dans lequel le combustible est comprimé et dilaté de manière cyclique pour produire un travail mécanique.
