Investigadores de la Universidad de Stuttgart han demostrado que el principio de Carnot, piedra angular de la termodinámica, no se cumple completamente para partículas correlacionadas a nivel atómico. Su trabajo revela que los motores cuánticos pueden superar el límite tradicional de eficiencia aprovechando las correlaciones cuánticas. Este descubrimiento podría allanar el camino para motores nanométricos altamente eficientes.
El principio de Carnot, establecido hace casi dos siglos por el físico francés Sadi Carnot, establece la eficiencia máxima teórica para motores térmicos basada en diferencias de temperatura. Forma parte de la segunda ley de la termodinámica y se aplica a sistemas a gran escala como turbinas de vapor y motores de combustión interna, que convierten la energía térmica en movimiento mecánico. Los avances en mecánica cuántica han permitido el desarrollo de motores térmicos microscópicos, reduciéndolos a dimensiones atómicas. El profesor Eric Lutz y el Dr. Milton Aguilar del Instituto de Física Teórica I de la Universidad de Stuttgart han demostrado ahora que este principio se descompone para sistemas fuertemente correlacionados a escala atómica. En tales configuraciones, las partículas están físicamente vinculadas, introduciendo efectos cuánticos no contemplados en la termodinámica clásica. Los investigadores derivaron leyes termodinámicas generalizadas que incorporan correlaciones cuánticas, conexiones sutiles entre partículas en sistemas diminutos. Estas correlaciones permiten que los motores cuánticos conviertan no solo el calor, sino también las propias correlaciones en trabajo, superando el límite de Carnot. «Motores diminutos, no más grandes que un solo átomo, podrían convertirse en realidad en el futuro», dice el profesor Lutz. Añade: «Ahora también es evidente que estos motores pueden lograr una eficiencia máxima superior a la de los motores térmicos más grandes». Su demostración matemática fue publicada en Science Advances con el título «Correlated quantum machines beyond the standard second law». Esta investigación refina la física fundamental y sugiere aplicaciones en motores cuánticos ultrapequeños para tareas como alimentar nanobots médicos o manipular materiales átomo por átomo. Al expandir la comprensión de la eficiencia a escala nanométrica, los hallazgos destacan cómo los efectos cuánticos pueden mejorar la conversión de energía en tecnologías futuras.