20 octubre, 2023
En un avance que podría ser considerado como un hito en la física cuántica y la tecnología, un equipo de científicos ha desarrollado el primer motor cuántico, un dispositivo que utiliza las peculiaridades de la mecánica cuántica para realizar trabajo mecánico. Este motor cuántico emplea un gas que puede transformarse de un gas fermiónico a un gas bosónico, dos categorías fundamentales de partículas que se diferencian por sus propiedades de espín y comportamiento en estados cuánticos.
Por Christhian Pagot*
Los fermiones, con un espín fraccional, obedecen al principio de exclusión de Pauli, evitando que ocupen el mismo estado cuántico y, por lo tanto, tienden a repelerse entre sí. Por otro lado, los bosones, con un espín entero, pueden agruparse y, bajo ciertas condiciones, formar un condensado de Bose-Einstein (BEC), un estado de la materia donde actúan como una única entidad cuántica.
El motor cuántico desarrollado opera mediante un proceso en el que los átomos de litio extremadamente fríos se utilizan y un enfoque conocido como resonancia de Feshbach permite que el sistema esté en un BEC con un pequeño volumen y un pistón que lo comprime. A medida que el BEC se convierte en un gas fermiónico, su volumen se expande, empujando el pistón. Este proceso de transformación cíclica de fermiones en bosones, y viceversa, permite que el motor cuántico realice trabajo sin la necesidad de calor, un principio fundamentalmente diferente de los motores térmicos convencionales. Aunque la eficiencia del prototipo actual es del 25%, no muy lejos de la eficiencia de un motor de automóvil promedio que podría rondar el 40%, los investigadores ven un camino claro hacia la mejora y optimización de futuros prototipos.
«Para convertir fermiones en bosones, se pueden tomar dos fermiones y combinarlos en una molécula. Esta nueva molécula es un bosón. Romperla nos permite recuperar de nuevo los fermiones. Haciendo esto cíclicamente, podemos alimentar el motor sin usar calor», declaró en un comunicado Thomas Busch, coautor del estudio y jefe de la Unidad de Sistemas Cuánticos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa.
Aunque este motor cuántico representa un avance significativo y demuestra la aplicabilidad práctica de los principios de la mecánica cuántica en la realización de trabajo, no esperemos ver automóviles con motores cuánticos en el corto plazo. El sistema requiere mantenerse a temperaturas extremadamente bajas, lo que implica un consumo energético significativo para la refrigeración. Sin embargo, los investigadores están explorando activamente cómo mejorar el diseño del motor cuántico y están considerando posibles aplicaciones para esta tecnología emergente, abriendo un nuevo horizonte en la intersección de la física cuántica y la ingeniería mecánica.
Este hito no solo representa un avance en la física fundamental, sino que también plantea preguntas y posibilidades fascinantes sobre cómo la tecnología cuántica podría ser integrada y explotada en el futuro, especialmente en el desarrollo de máquinas y procesos a nanoescala. La capacidad de generar trabajo a partir de estados cuánticos superpuestos, aunque aún en una etapa experimental y conceptual, sugiere un futuro donde los límites entre la tecnología macroscópica y la cuántica se difuminan, dando lugar a innovaciones que, hasta ahora, pertenecían al reino de la ciencia ficción.
El experimento fue realizado por un equipo multidisciplinario de científicos alemanes y japoneses, y sus resultados fueron publicados en este artículo de la revista especializada Nature.
*PS/N
