Motors tèrmics quàntics amb eficiència millorada

Un equip d'investigadors de l’IFISC (UIB-CSIC) ha demostrat que un conductor quàntic quiral subjecte a un voltatge de corrent altern (AC) pot funcionar amb eficiències molt superiors al fins ara insuperable límit de Carnot. En l'article, publicat en Nature Communications, els autors proposen una classe general de dispositius quàntics, operats periòdicament per corrents dependents del temps, que poden convertir calor en electricitat amb un rendiment major.

Una de les implicacions de la segona llei de la termodinàmica és que la potència generada per una màquina tèrmica ideal no pot superar el límit d'eficiència de Carnot en el règim clàssic. No obstant això, aquest límit superior pot superar-se, en principi, si aprofitem la coherència quàntica com un recurs per a la producció d'entropia. Per tant, entendre com es pot controlar la font d'entropia en diferents escenaris és clau per a aconseguir una major eficiència en motors i refrigeradors quàntics.

Per a això, l'equip va considerar un motor quàntic de bombament, que consisteix en un dispersiu túnel la transmissió del qual depèn de l'energia, acoblat a terminals electrònics de diferent temperatura i en presència d'un voltatge AC extern. Un punt crucial és que la majoria de les fonts de tensió AC injecten energia neta en el motor, reduint així la potència desenvolupada. La principal troballa de l'estudi és mostrar com anul·lar aquest efecte advers utilitzant conductors quirals. Aquests conductors es caracteritzen per una separació espacial del moviment electrònic, tal com ocorre en conductors creats a partir de materials topològics. Llavors, el dispositiu proposat aplica selectivament un camp de corrent altern als electrons en funció de la seva adreça. Això augmenta l'eficiència del motor quàntic més enllà del límit de Carnot.

L'article analitza dos ingredients necessaris per a observar aquest efecte: d'una banda, una producció irreversible d'entropia pels processos d'excitació fotoasistida induïts pel camp de CA i, per un altre, l'absència d'injecció neta d'energia gràcies a la quiralitat. El dispositiu també extreu treball dels terminals fins i tot si es mantenen a la mateixa temperatura, per la qual cosa aparentment viola la llei de Kelvin-Planck. Tanmateix, això no significa que es contradigui la segona llei de la termodinàmica, ja que, amb la definició adequada, la producció d'entropia és sempre positiva.

Aquests resultats són rellevants dins dels esforços que s'estan duent a terme en l'actualitat dins del camp de la termodinàmica quàntica a fi de comprendre el paper que exerceixen els efectes de no equilibri en les màquines quàntiques.

Ryu, S., López, R., Serra, L. et al. Beating Carnot efficiency with periodically driven chiral conductors. Nat Commun 13, 2512 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30039-7

• Behind the Paper