La termodinamica, disciplina che da quasi due secoli descrive le leggi fondamentali che governano la conversione dell'energia, si trova oggi di fronte a una revisione profonda quando applicata alla scala atomica. Un recente studio condotto presso l'Università di Stoccarda ha dimostrato matematicamente che il celebre principio di Carnot – pietra angolare della seconda legge della termodinamica che stabilisce il limite massimo di efficienza per qualsiasi macchina termica – non si applica integralmente ai sistemi quantistici in cui le particelle presentano correlazioni fisiche. La scoperta, pubblicata sulla rivista scientifica Science Advances, potrebbe aprire la strada allo sviluppo di motori quantistici di dimensioni atomiche caratterizzati da un'efficienza superiore a quella consentita dalla fisica classica.
Il professor Eric Lutz e il dottor Milton Aguilar, entrambi dell'Istituto di Fisica Teorica I dell'ateneo tedesco, hanno elaborato una dimostrazione matematica rigorosa che estende le leggi termodinamiche classiche includendo gli effetti delle correlazioni quantistiche. Questi fenomeni emergono quando i sistemi raggiungono dimensioni microscopiche e le particelle che li compongono sviluppano connessioni reciproche sottili ma decisive, non contemplate nella formulazione originaria del diciannovesimo secolo. La termodinamica tradizionale, infatti, fu sviluppata da Sadi Carnot nel 1824 per descrivere il comportamento di macchine termiche macroscopiche come le turbine a vapore e i motori a combustione interna, che convertono energia termica in movimento meccanico.
Nel corso degli ultimi anni, i progressi della meccanica quantistica hanno permesso ai ricercatori di miniaturizzare le macchine termiche fino a dimensioni microscopiche. Come spiega il professor Lutz, motori minuscoli, non più grandi di un singolo atomo, potrebbero diventare realtà nel prossimo futuro. Ciò che emerge dalla ricerca è che questi dispositivi quantistici possono raggiungere un'efficienza massima superiore rispetto alle loro controparti macroscopiche, contraddicendo apparentemente un principio ritenuto universale per quasi duecento anni.
Il cuore della scoperta risiede nella comprensione di come le correlazioni quantistiche influenzino la conversione energetica. Il principio di Carnot stabilisce che l'efficienza di una macchina termica dipende dalla differenza di temperatura tra la sorgente calda e quella fredda: maggiore è questo gradiente, più elevata sarà l'efficienza teoricamente raggiungibile. Tuttavia, questa formulazione non tiene conto delle connessioni quantistiche che si manifestano quando le dimensioni del sistema si riducono fino alla scala atomica. I ricercatori tedeschi hanno derivato per la prima volta leggi termodinamiche generalizzate che incorporano pienamente queste correlazioni, dimostrando che i motori molecolari fortemente correlati – in cui le particelle sono strettamente interconnesse – possono sfruttare un'ulteriore fonte di energia oltre al semplice flusso termico.
L'aspetto rivoluzionario della ricerca consiste nella dimostrazione matematica che le macchine termiche su scala atomica possono convertire in lavoro non soltanto il calore, come avviene nei motori classici, ma anche le correlazioni quantistiche presenti tra le particelle. Questo contributo aggiuntivo permette a tali dispositivi di generare una quantità di lavoro superiore a quella prevista dalla teoria classica, superando di fatto il limite di efficienza di Carnot che per quasi due secoli è stato considerato invalicabile per qualsiasi processo di conversione energetica.
Le implicazioni pratiche di questa scoperta potrebbero estendersi ben oltre il perfezionamento della teoria fisica fondamentale. Una comprensione approfondita di come le leggi fisiche operino alla scala atomica potrebbe accelerare significativamente lo sviluppo di tecnologie di nuova generazione, tra cui motori quantistici ultra-compatti ed estremamente efficienti capaci di eseguire operazioni di precisione su scala nanometrica. Dispositivi di questo tipo potrebbero trovare applicazione in ambiti diversificati: dalla realizzazione di nanorobot medicali in grado di navigare all'interno del corpo umano per rilasciare farmaci mirati, fino a macchine molecolari capaci di manipolare materiali atomo per atomo, aprendo prospettive inedite nella nanotecnologia e nella medicina di precisione.
