أظهر باحثون في جامعة شتوتغارت أن مبدأ كارنو، الركن الأساسي للديناميكا الحرارية، لا ينطبق كليًا على الجسيمات المترابطة على المستوى الذري. يكشف عملهم أن المحركات الكمومية يمكنها تجاوز حد الكفاءة التقليدي عبر استغلال الارتباطات الكمومية. قد يمهد هذا الاكتشاف الطريق لمحركات نانوية عالية الكفاءة.
مبدأ كارنو، الذي أسسه الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو قبل نحو قرنين، يحدد الكفاءة القصوى النظرية للمحركات الحرارية بناءً على فروق درجات الحرارة. وهو جزء من القانون الثاني للديناميكا الحرارية وينطبق على الأنظمة واسعة النطاق مثل توربينات البخار ومحركات الاحتراق الداخلي، التي تحول الطاقة الحرارية إلى حركة ميكانيكية. سمحت التطورات في الميكانيكا الكمومية بتطوير محركات حرارية مجهرية، مصغّرة إلى أبعاد ذرية. أظهر البروفيسور إريك لوتز والدكتور ميلتون أغيلار من معهد الفيزياء النظرية الأول بجامعة شتوتغارت الآن أن هذا المبدأ ينهار في الأنظمة شديدة الترابط على المستوى الذري. في مثل هذه الإعدادات، تكون الجسيمات مرتبطة فيزيائيًا، مما يُدخل تأثيرات كمومية غير محسوبة في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية. اشتق الباحثون قوانين ديناميكية حرارية معممة تدمج الارتباطات الكمومية، وهي روابط دقيقة بين الجسيمات في الأنظمة الصغيرة جدًا. تسمح هذه الارتباطات للمحركات الكمومية بتحويل ليس الحرارة فحسب، بل الارتباطات نفسها إلى عمل، متجاوزة حد كارنو. «قد تصبح محركات صغيرة، لا تتجاوز حجم ذرة واحدة، واقعًا في المستقبل»، يقول البروفيسور لوتز. ويضيف: «أصبح واضحًا الآن أن هذه المحركات يمكنها تحقيق كفاءة قصوى أعلى من محركات الحرارة الأكبر». نُشر إثباتهم الرياضي في Science Advances بعنوان «Correlated quantum machines beyond the standard second law». تعزز هذه البحث الفيزياء الأساسية وتقترح تطبيقات في محركات كمومية فائقة الصغر لمهام مثل تشغيل النانوبوتات الطبية أو معالجة المواد ذرة بذرة. من خلال توسيع فهم الكفاءة على المستوى النانوي، تبرز النتائج كيف يمكن للتأثيرات الكمومية تعزيز تحويل الطاقة في التقنيات المستقبلية.
