Mini-mașinile pot evita frecarea utilizând comenzi rapide cuantice

SANTA BARBARA, Calif. — Pentru a evita frecarea, încercați să luați o comandă rapidă cuantică.

Două echipe de fizicieni construiesc mașini minuscule proiectate să funcționeze cu cea mai mare eficiență posibilă. Potrivit termodinamicii, există o limită ultimă a eficienței mașinilor cunoscute sub numele de motoare termice – inclusiv mașini cu abur și motoare de mașini – care transformă căldura în mișcare sau în alte tipuri de energie (SN: 19.3.16, str. 18). Dar motoarele din lumea reală nu ating niciodată acea eficiență maximă și adesea funcționează cu mult sub ea, deoarece pierd energie din cauza frecării.

Acum, experimentele cuantice eludează limitările impuse de frecare folosind comenzi rapide special concepute. Fizicienii Adolfo del Campo și Roberto Serra au descris două experimente separate, pe 25 și 28 iunie, la întâlnirea de termodinamică cuantică de la Institutul Kavli pentru Fizică Teoretică de la Universitatea din California, Santa Barbara.

Comenzile rapide sunt „un fel de lubrifiant cuantic”, spune Serra, de la Universitatea Federală ABC din Santo André, Brazilia. Similar cu modul în care uleiul poate reduce frecarea într-un motor standard, aceste comenzi rapide elimină frecarea care este prezentă la scara cuantică.

Motoarele termice funcționează printr-o serie de pași. De exemplu, cilindrii unui motor de mașină execută o secvență care include admisia de combustibil și aer, compresie, ardere, expansiune și eliberare a gazelor de evacuare.

În mod normal, pentru a evita frecarea, ar fi necesar să parcurgeți acești pași foarte încet. O astfel de limitare are ca rezultat un compromis, creșterea eficienței unei mașini, dar scăderea puterii acesteia, a cantității de energie transferată într-o anumită perioadă de timp. „Ideea comenzilor rapide este să le avem pe ambele simultan”, spune fizicianul Masahito Ueda de la Universitatea din Tokyo, care nu a fost implicat în cercetare.

Del Campo și colegii au raportat primii pași către un motor simplu fără frecare, compus dintr-un nor de atomi de litiu răciți, care se extinde și se contractă într-un mod care amintește de pistonul unui motor de mașină. Pentru a evita frecarea, cercetătorii au controlat cu atenție norul, permițându-i să se extindă încet la început și apoi să accelereze înainte de a încetini din nou. Tehnica are ca rezultat o funcționare fără frecare, au raportat cercetătorii într-o lucrare publicată pe 27 aprilie în Progresele științei.

„În principiu, ceea ce vă permite acest lucru este să utilizați cât mai bine resursele de energie”, spune del Campo, de la Universitatea din Massachusetts Boston. Pentru a finaliza ciclul motorului, del Campo și colegii trebuie să găsească, de asemenea, modalități de a încălzi și răci norul, asupra cărora lucrările viitoare se vor concentra.

Folosind tehnologii foarte diferite bazate pe nivelurile de energie ale nucleelor ​​de carbon din moleculele de cloroform, Serra și colegii au creat un alt tip de motor cuantic fără frecare. Datorită unei proprietăți cuantice numită spin, nucleele sunt magnetice. Când este plasat într-un câmp magnetic, rezultă două niveluri de energie posibile pentru nucleele de carbon – unul în care polul magnetic se aliniază cu câmpul și unul în care arată în direcția opusă. În loc de o expansiune și contracție fizică, Serra și colegii au crescut și au scăzut câmpul magnetic, ceea ce a schimbat separarea dintre nivelurile de energie.

Dacă Serra și colegii au operat motorul prea repede, frecarea îi ducea eficiența la zero. Dar prin ajustarea oscilațiilor câmpurilor magnetice aplicate moleculelor, cercetătorii au eliminat frecarea și mașina a atins o eficiență optimă de aproximativ 40%, a raportat Serra. Motoarele auto, spre comparație, funcționează de obicei cu o eficiență de aproximativ 20 la sută.

Proiectarea comenzilor rapide nu este ușoară, iar tehnica funcționează numai pentru sisteme cuantice care pot fi controlate cu precizie. Cercetătorii nu pot folosi încă motoarele pentru niciun proces util – orice aplicație este departe în viitor. Dar o astfel de tehnologie ar putea fi în cele din urmă valorificată pentru a face frigidere miniaturale eficiente, de exemplu pentru a răci computere cuantice.