Des chercheurs de l’Université de Bâle ont développé une nouvelle approche pour l’application de la thermodynamique à des systèmes quantiques microscopiques.
L’officier et physicien Benjamin Thompson, alias le comte Rumford, a découvert en 1798 à Munich que la chaleur n’est pas une substance, mais qu’elle peut être produite en quantité illimitée par frottement mécanique, grâce à des observations faites lors de l’alésage de tubes de canons.
Rumford a déterminé la quantité de chaleur produite en plongeant les tubes de canon dans l’eau et en mesurant le temps nécessaire à l’ébullition de l’eau. C’est sur la base de telles expériences que la thermodynamique a vu le jour au 19e siècle. Elle a d’abord été au service de la révolution industrielle et a par exemple expliqué physiquement comment la chaleur pouvait être transformée efficacement en travail utile dans les machines à vapeur.
Aujourd’hui, les principes principaux de la thermodynamique font partie des connaissances de base de tous les scientifiques : l’énergie totale, c’est-à-dire la somme de la chaleur et du travail, reste constante dans un système fermé et le désordre ou l’entropie ne diminue jamais.
Ces phrases sont certes valables de manière générale, mais si l’on veut les appliquer aux plus petits systèmes quantiques, on se heurte rapidement à des difficultés. Des chercheurs de l’Université de Bâle, dirigés par le physicien Patrick Potts, ont trouvé un nouveau moyen de définir les grandeurs thermodynamiques de manière cohérente, même pour certains systèmes quantiques. Ils viennent de publier leurs résultats dans la revue spécialisée ’Physical Review Letters’.
Lumière laser dans une cavité
dans la description thermodynamique des systèmes quantiques, nous sommes confrontés au problème que tout est microscopique dans de tels systèmes. De ce fait, la distinction entre le travail, c’est-à-dire l’énergie macroscopique utile, et la chaleur, c’est-à-dire le mouvement microscopique désordonné, ne fonctionne plus aussi facilement’, explique le doctorant Aaron Daniel.
Daniel et ses collègues ont pris l’exemple de ce qu’ils appellent des résonateurs, c’est-à-dire des cavités dans lesquelles la lumière laser incidente est réfléchie entre deux miroirs et finit par ressortir en partie.
Contrairement à la lumière normale d’une lampe à incandescence ou d’une LED, la lumière laser a la particularité d’osciller en phase avec ses ondes électromagnétiques. Toutefois, si la lumière laser traverse une cavité dans laquelle se trouvent des atomes, cela peut perturber plus ou moins fortement le mode commun - également appelé cohérence. Dans ce cas, la lumière devient totalement ou partiellement incohérente (ce qui correspond au mouvement désordonné des particules). la cohérence de la lumière dans un tel système de résonateur laser a été le point de départ de nos calculs", explique Max Schrauwen, qui a participé au projet en tant qu’étudiant en licence.
Le travail par la cohérence
Les chercheurs ont d’abord défini ce que l’on pouvait entendre par ’travail’ dans le cas de la lumière laser : par exemple la capacité de charger ce que l’on appelle une batterie quantique. Pour cela, il faut de la lumière cohérente, qui fait passer un ensemble d’atomes dans un état excité. Pour simplifier, on pourrait supposer que la lumière laser cohérente qui pénètre dans la cavité peut effectuer un travail, mais pas la lumière laser partiellement incohérente qui en sort. On devrait alors qualifier la lumière sortante de ’chaleur’.
Pourtant, même la lumière partiellement incohérente peut en principe fournir un travail utile - mais moins que la lumière totalement cohérente. Daniel et ses collègues ont étudié ce qui se passe lorsqu’ils considèrent la partie cohérente de la lumière laser sortante comme du travail et seulement la partie incohérente comme de la chaleur. Résultat : si le travail est défini de cette manière, les deux principes de la thermodynamique sont satisfaits et l’approche est donc concluante.
grâce à notre formalisme, nous pourrons à l’avenir étudier des questions plus précises en thermodynamique quantique", explique Daniel. C’est par exemple important pour les applications technologiques quantiques comme les réseaux quantiques. En outre, cela permettra également d’étudier encore mieux la transition entre le comportement classique des systèmes macroscopiques et le comportement quantique des systèmes microscopiques.
Contribution originale
Max Schrauwen, Aaron Daniel, Marcelo Janovitch et Patrick P. Potts
Cadre thermodynamique pour les systèmes à entraînement cohérent
Physical Review Letters (2025), doi : 10.1103/zdbv-rksc
