Efectos cuánticos permiten un motor que calienta y enfría a la vez

Japón.- Ingenieros del instituto japonés RIKEN han creado una nanomáquina multitarea que puede actuar como motor térmico y como refrigerador al mismo tiempo.

El dispositivo es uno de los primeros en probar cómo los efectos cuánticos, que gobiernan el comportamiento de las partículas en la escala más pequeña, podrían algún día ser explotados para mejorar el desempeño de las nanotecnologías.

Los refrigeradores y motores térmicos convencionales funcionan conectando dos piscinas de líquido. La compresión de una piscina hace que su líquido se caliente, mientras que la expansión rápida de la otra piscina enfría su líquido. Si estas operaciones se realizan en un ciclo periódico, las piscinas intercambiarán energía y el sistema se puede utilizar como motor térmico o como nevera.

Sería imposible configurar una máquina a macroescala que realice ambas tareas simultáneamente, ni los ingenieros querrían hacerlo, dice en un comunicado Keiji Ono del Laboratorio de Dispositivos Avanzados de RIKEN. “Combinar un motor térmico tradicional con un refrigerador lo convertiría en una máquina completamente inútil”, dice. “No sabría qué hacer”.

Pero las cosas son diferentes cuando las encoges. Los físicos han desarrollado dispositivos cada vez más pequeños, a veces basados en átomos individuales. A estas pequeñas escalas, tienen que dar cuenta de la teoría cuántica: el extraño conjunto de leyes que dice, por ejemplo, que un electrón puede existir en dos lugares al mismo tiempo o tener dos energías diferentes. Los físicos están desarrollando nuevos marcos teóricos y experimentos para tratar de averiguar cómo se comportarán dichos sistemas.

La versión cuántica del motor térmico utiliza un electrón en un transistor. El electrón tiene dos posibles estados de energía. El equipo podría aumentar o disminuir la brecha entre estos estados de energía aplicando un campo eléctrico y microondas. “Esto puede ser análogo a la operación periódica de expansión-compresión de un fluido en una cámara”, dice Ono, quien dirigió el experimento. El dispositivo también emitía microondas cuando el electrón pasaba del nivel de alta energía al más bajo.

Al monitorear si el nivel de energía superior estaba ocupado, el equipo demostró primero que el nanodispositivo podía actuar como un motor térmico o como un refrigerador. Pero luego mostraron algo mucho más extraño: la nanomáquina podría actuar como ambos al mismo tiempo, lo cual es un efecto puramente cuántico. Los investigadores confirmaron esto al observar la ocupación del nivel de energía superior, que se combinó para crear un patrón de interferencia característico. “Hubo una coincidencia casi perfecta entre el patrón de interferencia experimental y el predicho por la teoría”, dice Ono.

“Esto puede permitir un cambio rápido entre los dos modos de funcionamiento”, explica Ono. “Esta capacidad podría ayudar a crear aplicaciones novedosas con tales sistemas en el futuro”.