Il mondo della fisica quantistica continua a riservare sorprese che mettono in discussione principi ritenuti inviolabili da secoli. Due ricercatori dell'Università di Stoccarda hanno dimostrato che il principio di Carnot, pietra miliare della termodinamica classica formulata quasi duecento anni fa, non si applica agli oggetti su scala atomica quando le loro proprietà fisiche risultano interconnesse attraverso le cosiddette correlazioni quantistiche. La scoperta potrebbe aprire la strada allo sviluppo di motori quantistici miniaturizzati ed estremamente efficienti.
Le implicazioni di questa ricerca, pubblicata sulla rivista Science Advances, vanno ben oltre l'ambito teorico. Mentre i motori a combustione interna e le turbine a vapore trasformano energia termica in movimento meccanico seguendo regole ben precise, i ricercatori hanno dimostrato che a livello microscopico queste leggi necessitano di essere riscritte. Gli esperimenti di meccanica quantistica condotti negli ultimi anni sono riusciti a ridurre le dimensioni dei motori termici fino alla scala microscopica, aprendo scenari inediti.
Il professor Eric Lutz, dell'Istituto di Fisica Teorica I dell'ateneo tedesco, non nasconde l'entusiasmo per le prospettive future: motori delle dimensioni di un singolo atomo potrebbero diventare realtà, e la loro efficienza massima potrebbe superare quella dei motori termici tradizionali. Un concetto che fino a pochi anni fa sarebbe sembrato appartenere al regno della fantascienza.
La chiave di questa rivoluzione scientifica risiede nelle peculiarità del mondo quantistico. Il fisico francese Sadi Carnot aveva stabilito nel 1824 che l'efficienza massima di un motore termico dipende esclusivamente dalla differenza di temperatura tra la sorgente calda e quella fredda. Questo principio, noto come secondo principio della termodinamica, è stato elaborato osservando oggetti macroscopici e si applica perfettamente alle turbine a vapore o ai motori delle automobili.
Tuttavia, il lavoro condotto dal professor Lutz insieme al dottor Milton Aguilar, ricercatore post-dottorato presso lo stesso istituto, ha rivelato un limite fondamentale di questa teoria classica. Il principio di Carnot trascura completamente l'influenza delle correlazioni quantistiche, quei legami speciali che si formano tra particelle su scala estremamente ridotta e che non hanno equivalenti nel mondo macroscopico.
I due scienziati hanno derivato per la prima volta leggi termodinamiche generalizzate che tengono pienamente conto di queste correlazioni. I risultati dimostrano che le macchine termiche operanti su scala atomica possono convertire in lavoro non solo il calore, ma anche le correlazioni quantistiche stesse. Questo significa che un motore quantistico può produrre più lavoro rispetto a quanto previsto dalla teoria classica, superando quello che sembrava un limite invalicabile.
Le applicazioni pratiche di questa scoperta potrebbero essere straordinariamente varie. I motori molecolari fortemente correlati, ad esempio, rappresentano un campo di ricerca promettente per lo sviluppo di tecnologie su scala nanometrica. La capacità di sfruttare le correlazioni quantistiche per generare movimento apre scenari in cui nanobot medicali potrebbero essere alimentati da questi minuscoli propulsori ad alta efficienza.
Non si tratta solo di miniaturizzazione: l'efficienza superiore di questi motori quantistici rispetto al limite di Carnot potrebbe rappresentare un vantaggio decisivo in applicazioni dove il risparmio energetico è cruciale. Macchine capaci di processare materiali a livello atomico, dispositivi per interventi chirurgici di precisione estrema, o sistemi di manipolazione molecolare potrebbero beneficiare di questa nuova comprensione delle leggi fisiche che governano il mondo microscopico.
Come spiegano gli stessi ricercatori, questa è ricerca di base nel senso più profondo del termine. Approfondire la conoscenza delle leggi fisiche che operano a livello atomico rappresenta il prerequisito indispensabile per sviluppare le tecnologie di domani. Più comprendiamo i meccanismi che regolano queste dimensioni, prima saremo in grado di sfruttarli per applicazioni concrete. Il potenziale, sottolineano Lutz e Aguilar, è enormemente diversificato e probabilmente va oltre quanto possiamo immaginare oggi.