I ricercatori dell’Università di Basilea hanno sviluppato un nuovo approccio per l’applicazione della termodinamica ai sistemi quantistici microscopici.
L’ufficiale e fisico Benjamin Thompson, alias Conte Rumford, scoprì a Monaco di Baviera nel 1798 che il calore non è una sostanza, ma può essere generato in quantità illimitate attraverso l’attrito meccanico, osservando la perforazione delle canne di cannone.
Rumford determinò la quantità di calore generata immergendo le canne di cannone nell’acqua e misurando il tempo necessario all’ebollizione dell’acqua. Sulla base di questi esperimenti, la termodinamica è stata sviluppata nel XIX secolo, inizialmente al servizio della rivoluzione industriale e spiegando fisicamente, ad esempio, come il calore possa essere convertito in modo efficiente in lavoro utile nei motori a vapore.
Oggi i principali teoremi della termodinamica fanno parte delle conoscenze di base di tutti gli scienziati naturali: l’energia totale, cioè la somma di calore e lavoro, rimane costante in un sistema chiuso e il disordine o entropia non diminuisce mai.
Questi teoremi sono generalmente validi, ma se si vogliono applicare ai sistemi quantistici più piccoli, si incontrano rapidamente delle difficoltà. I ricercatori dell’Università di Basilea, guidati dal fisico Patrick Potts, hanno ora trovato un nuovo modo per definire in modo coerente le quantità termodinamiche anche per alcuni sistemi quantistici. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista "Physical Review Letters".
Luce laser in una cavità
nella descrizione termodinamica dei sistemi quantistici, abbiamo il problema che tutto in questi sistemi è microscopico. Di conseguenza, la distinzione tra lavoro, cioè energia utile macroscopica, e calore, cioè movimento microscopico disordinato, non è più così semplice", spiega il dottorando Aaron Daniel.
Daniel e i suoi colleghi hanno preso come esempio i cosiddetti risonatori, ovvero cavità in cui la luce laser incidente viene riflessa avanti e indietro tra due specchi e alla fine fuoriesce parzialmente.
A differenza della normale luce di una lampada a incandescenza o di un LED, la luce laser ha la proprietà speciale di far oscillare le sue onde elettromagnetiche esattamente in sincronia. Tuttavia, se la luce laser passa attraverso una cavità contenente atomi, questo può disturbare in misura maggiore o minore la modalità comune, nota anche come coerenza. In questo caso, la luce diventa completamente o parzialmente incoerente (il che corrisponde al movimento disordinato delle particelle). la coerenza della luce in un sistema di risonatori laser di questo tipo è stata il punto di partenza dei nostri calcoli", spiega Max Schrauwen, che ha partecipato al progetto come studente di laurea triennale.
Lavorare attraverso la coerenza
I ricercatori hanno innanzitutto definito cosa si può intendere per ’lavoro’ nella luce laser: ad esempio, la capacità di caricare una cosiddetta batteria quantistica. Ciò richiede una luce coerente, che porta un insieme di atomi in uno stato eccitato. Per semplicità, si potrebbe ipotizzare che la luce laser coerente che entra nella cavità possa compiere un lavoro, mentre la luce laser parzialmente incoerente che ne esce non può farlo. Ciò significa che la luce che fuoriesce dovrebbe essere descritta come "calore".
Ma anche la luce parzialmente incoerente può in linea di principio svolgere un lavoro utile, solo meno della luce completamente coerente. Daniel e i suoi colleghi hanno studiato cosa succede se si considera la parte coerente della luce laser emessa come lavoro e solo la parte incoerente come calore. Il risultato: se il lavoro viene definito in questo modo, entrambe le leggi della termodinamica sono soddisfatte e l’approccio è quindi conclusivo.
con il nostro formalismo, in futuro saremo in grado di indagare su questioni più precise della termodinamica quantistica", afferma Daniel. Questo è importante per le applicazioni tecnologiche quantistiche, come ad esempio le reti quantistiche. Inoltre, la transizione dal comportamento classico dei sistemi macroscopici al comportamento quantomeccanico dei sistemi microscopici potrà essere studiata ancora meglio.
Contributo originale
Max Schrauwen, Aaron Daniel, Marcelo Janovitch e Patrick P. Potts
Quadro termodinamico per sistemi guidati in modo coerente
Physical Review Letters (2025), doi: 10.1103/zdbv-rksc
