Des chercheurs de l'Université de Stuttgart ont montré que le principe de Carnot, pierre angulaire de la thermodynamique, ne s'applique pas pleinement aux particules corrélées au niveau atomique. Leur travail révèle que les moteurs quantiques peuvent dépasser la limite d'efficacité traditionnelle en exploitant les corrélations quantiques. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à des moteurs nanométriques hautement efficaces.
Le principe de Carnot, établi il y a près de deux siècles par le physicien français Sadi Carnot, fixe l'efficacité maximale théorique des machines thermiques en fonction des différences de température. Il fait partie de la seconde loi de la thermodynamique et s'applique aux systèmes à grande échelle comme les turbines à vapeur et les moteurs à combustion interne, qui convertissent l'énergie thermique en mouvement mécanique. Les progrès en mécanique quantique ont permis le développement de machines thermiques microscopiques, réduites à des dimensions atomiques. Le professeur Eric Lutz et le Dr. Milton Aguilar de l'Institut de Physique Théorique I de l'Université de Stuttgart ont maintenant démontré que ce principe s'effondre pour les systèmes fortement corrélés à l'échelle atomique. Dans de telles configurations, les particules sont physiquement liées, introduisant des effets quantiques non pris en compte dans la thermodynamique classique. Les chercheurs ont dérivé des lois thermodynamiques généralisées qui intègrent les corrélations quantiques — des connexions subtiles entre particules dans des systèmes minuscules. Ces corrélations permettent aux moteurs quantiques de convertir non seulement la chaleur, mais aussi les corrélations elles-mêmes en travail, dépassant la limite de Carnot. «De minuscules moteurs, pas plus grands qu'un seul atome, pourraient devenir réalité à l'avenir», déclare le professeur Lutz. Il ajoute : «Il est maintenant évident que ces moteurs peuvent atteindre une efficacité maximale supérieure à celle des machines thermiques plus grandes». Leur démonstration mathématique a été publiée dans Science Advances sous le titre «Correlated quantum machines beyond the standard second law». Cette recherche affine la physique fondamentale et suggère des applications dans des moteurs quantiques ultra-petits pour des tâches comme alimenter des nanobots médicaux ou manipuler des matériaux atome par atome. En élargissant la compréhension de l'efficacité à l'échelle nanométrique, ces résultats mettent en lumière comment les effets quantiques peuvent améliorer la conversion d'énergie dans les technologies futures.
