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fonte dell'articolo: Internet

Nuovi esperimenti stanno verificando i limiti

della termodinamica nel mondo quantistico,

dove le leggi classiche, anche se non pos-

sono essere infrante, devono essere modificate

per rendere conto dei fenomeni che si verificano

in questo diverso dominio. Da questo nuovo

ambito di ricerca, la termodinamica quantistica,

potrebbero emergere risultati in grado di dare

nuovo impulso allo sviluppo tecnologicodi Zeeya

Merali/NatureL'eterna battaglia tra termodinamica

e meccanica quantisticaLe "altre" leggi dell'entropia

nel mondo microscopicoLa strana termodinamica

del mondo dei quanti

Un fisico dovrebbe aver perso la ragione per tentare

di violare le leggi della termodinamica. Eppure è possibile

modificarle. In un laboratorio all'Università di Oxford,

in Gran Bretagna, un gruppo di fisici quantistici sta

cercando di farlo con un piccolo campione di diamante

sintetico.

All'inizio, il diamante è appena visibile, posto all'interno

di una caotico groviglio di fibre ottiche e specchi. Ma

quando si accende un laser verde, i difetti del diamante

sono illuminati e il cristallo inizia a brillare. In quella luce,

i ricercatori hanno trovato le prove preliminari di un

effetto teorizzato solo pochi anni fa: un boost quantistico

che amplificherebbe la potenza del segnale in uscita

dal diamante oltre il limite posto dalla termodinamica

classica.

Se i risultati fossero confermati, sarebbe una vera

manna per la termodinamica quantistica, un campo

di studi relativamente nuovo che mira a scoprire le

leggi che regolano i flussi di calore ed energia su scala

atomica.

La nuova termodinamica: come la fisica quantistica

sta cambiando le regole
L'apparato sperimentale del gruppo di Oxford

(Jonas Becker)
C'è ragione di sospettare che nel dominio quantistico

le leggi della termodinamica, basate sul comportamento

di un gran numero di particelle, siano diverse. Negli

ultimi cinque anni, intorno a questa idea è cresciuta

una comunità quanto-termodinamica. Quello che una

volta era il dominio di una manciata di teorici, ora include

alcune centinaia di fisici teorici e sperimentali in tutto

il mondo. "Questo ambito sta progredendo così in fretta

che riesco a malapena a stare al passo", dice Ronnie

Kosloff, della Hebrew University di Gerusalemme, un

pioniere di questi studi.

Alcuni dei fisici che si occupano termodinamica quantistica

sperano di scoprire un comportamento al di fuori

dell'ambito della termodinamica convenzionale che possa

essere applicato a scopi pratici, tra cui il miglioramento

delle tecniche di refrigerazione usate nei laboratori,

la realizzazione di batterie con prestazioni migliorate e

il raffinamento della tecnologia per il calcolo quantistico.

Ma questo campo di studi è ancora agli inizi. Esperimenti

come quello di Oxford hanno appena cominciato a

mettere alla prova le previsioni teoriche. E i fisici che

non ne fanno parte stanno osservando attentamente

tali prove per capire se mostrano la possibilità di

applicazioni utili previste dai teorici. "La termodinamica

quantistica è evidentemente un tema 'caldo', se mi

perdonate il gioco di parole", afferma Ronald Walsworth,

dell'Università di Harvard, che è specializzato nello

sviluppo di strumenti di precisione a scala atomica.

"Ma per chi guarda dall'esterno, la domanda è se può

davvero dare un impulso allo sviluppo delle tecnologie".

Infrangere la legge

Le leggi della termodinamica classica sono state

sviluppate nel XIX secolo. Sono il frutto dello sforzo

di comprendere i motori a vapore e altri sistemi macroscopici.

In natura, le quantità termodinamiche come temperatura

e calore sono statistiche e sono definite in riferimento

al movimento medio di grandi insiemi di particelle. Ma

negli anni ottanta, Kosloff iniziò a chiedersi se questo

modello avesse ancora senso per sistemi molto più

piccoli. All'epoca, non era una linea di ricerca popolare,

spiega, perché le domande che poneva erano in gran

parte astratte, con poche speranze di una connessione

con gli esperimenti. "Il campo si è sviluppato molto

lentamente", dice. "Sono rimasto da solo per anni".

Le cose cambiarono drasticamente circa un decennio

fa, quando le questioni sui limiti della miniaturizzazione

tecnologica diventarono più pressanti e le tecniche

sperimentali progredirono. Si fece una quantità enorme

di tentativi di calcolare in che modo si potessero

combinare la teoria termodinamica e la teoria quantistica.

Ma le proposte che emersero crearono più confusione

che chiarezza, dice Kosloff.

Alcuni sostenevano che i dispositivi quantistici avrebbero

potuto violare impunemente i vincoli termodinamici classici

e agire così come macchine a moto perpetuo, in grado

di compiere un lavoro senza bisogno di alcun input

energetico. Altri, suggerendo che le leggi della termodinamica

dovessero valere senza modifiche a scale molto piccole,

erano altrettanto perplessi. "In un certo senso, puoi

usare le stesse equazioni per analizzare le prestazioni di

un motore a singolo atomo e del motore della tua auto",

dice Kosloff. "Ma anche questo è sorprendente: sicuramente

quando si va sempre più nel mondo microscopico si arriva

a un limite quantistico". Nella termodinamica classica, una

singola particella non ha una temperatura. Così via via

che il sistema che produce lavoro e il suo ambiente si

avvicinano a quel limite, diventa sempre più assurdo 

immaginare che vengano rispettate le leggi termodinamiche

standard, afferma Tobias Schaetz, fisico quantistico

dell'Università di Friburgo.

Inizialmente, la preponderanza di affermazioni e previsioni

teoriche in conflitto ha minato la credibilità di questo

ambito di ricerca. "Sono stato molto critico sul settore,

perché c'è tanta teoria e non abbastanza esperimenti",

dice Peter Hänggi, fisico quantistico dell'Università

tedesca di Augsburg. Ma la comunità sta iniziando a

concentrarsi sulle domande fondamentali, nel tentativo

di aprirsi un varco nel caos. Un obiettivo è stato quello

di utilizzare gli esperimenti per scoprire il punto in cui le

leggi classiche della termodinamica non prevedono

più perfettamente il comportamento termico dei

sistemi quantistici.

La nuova termodinamica: come la fisica quantistica

sta cambiando le regole
James Clerk Maxwell (1831-1879) padre fondatore

della moderna teoria dell'elettromagnetismo. Il suo

esperimento mentale del "diavoletto" pone un'importante

questione termodinamica che è stata risolta solo di

recente (Wikimedia Commons)
Gli esperimenti stanno cominciando a individuare il

confine tra mondo classico e mondo quantistico.

Lo scorso anno, per esempio, Schaetz e i suoi colleghi

hanno dimostrato che, in determinate condizioni,

stringhe di cinque o meno ioni di magnesio in un

cristallo non superano quel limite, ma rimangono

in equilibrio termico con il loro ambiente, così come

fanno i sistemi più grandi.

Nel loro test, ogni ione era inizialmente in uno stato

ad alta energia e il suo spin oscillava tra due stati

corrispondenti alla direzione del suo magnetismo: "su"

e "giù". La termodinamica standard prevede che tali

oscillazioni di spin dovrebbero diminuire quando gli ioni

si raffreddano interagendo con gli altri atomi nel cristallo

attorno a loro, proprio come il caffè caldo si raffredda

quando le sue molecole si scontrano con le molecole

dell'aria circostante più fredda.

Tali collisioni trasferiscono energia dalle molecole di

caffè alle molecole d'aria. Un meccanismo di raffreddamento

simile entra in gioco nel cristallo, dove le vibrazioni

quantizzate del reticolo, chiamate fononi, estraggono

calore dagli spin oscillanti. Schaetz e i suoi colleghi hanno

scoperto che i loro piccoli sistemi a ioni smettevano di

oscillare, il che indicava che si erano raffreddati. Ma dopo

alcuni millisecondi, gli ioni hanno ricominciato a oscillare

vigorosamente. Questa ripresa di attività ha un'origine

quantistica, dice Schaetz. Piuttosto che dissiparsi

completamente, i fononi rimbalzavano sui bordi del cristallo

e tornavano indietro, in fase, verso i loro ioni di origine,

ripristinando le oscillazioni di spin originali.

Schaetz dice che il suo esperimento è un segnale

per gli ingegneri che stanno tentando di ridurre le

dimensioni dell'elettronica attuale. "Puoi avere un

cavo che ha un diametro di soli 10 o 15 atomi e

pensare che abbia estratto calore dal chip, ma

poi improvvisamente si verifica questo fenomeno

quantistico", spiega Schaetz. "È molto inquietante".

I fononi di rimbalzo potrebbero creare problemi in

alcune applicazioni, ma altri fenomeni quantistici

potrebbero rivelarsi utili. Gli sforzi per identificare

tali fenomeni erano stati bloccati dalla difficoltà di

definire grandezze fondamentali, come il calore e

la temperatura, nei sistemi quantistici. Ma la soluzione

di un famoso esperimento mentale, elaborato 150

anni fa dal fisico scozzese James Clerk Maxwell,

ha fornito un indizio su che direzione prendere,

definendo un interessante legame tra informazione

ed energia.

Maxwell immaginò un'entità in grado di scegliere

tra molecole lente e molecole veloci, creando una

differenza di temperatura tra due camere semplicemente

aprendo e chiudendo una porta tra di esse. Questo

"diavoletto", come è stato chiamato, genera quindi

una camera calda e una camera fredda che possono

essere sfruttate per produrre energia utile. Il problema

è che, scegliendo le particelle in questo modo, il diavoletto

riduce l'entropia del sistema, una misura del disordine

delle disposizioni delle particelle, senza aver fatto alcun

lavoro sulle particelle stesse. Questo sembra violare la

seconda legge della termodinamica.

Ma i fisici finalmente hanno capito che il diavoletto avrebbe

pagato un "prezzo termodinamico" per elaborare le

informazioni sulle velocità delle molecole. Avrebbe

dovuto memorizzare, cancellare e rimemorizzare quelle

informazioni nel suo cervello. Quel processo consuma

energia e crea un aumento complessivo dell'entropia.

Una volta si pensava che l'informazione fosse immateriale,

"ma il diavoletto di Maxwell dimostra che essa può

avere conseguenze fisiche oggettive", afferma il fisico

quantistico Arnau Riera, dell'Istituto di Scienze Fotoniche

di Barcellona.

Trovare il limite

Ispirandosi all'idea che l'informazione sia una quantità

fisica e che sia strettamente legata alla termodinamica,

i ricercatori hanno tentato di ricostruire le leggi della

termodinamica in modo che lavorino nel regime quantistico.

Le macchine a moto perpetuo possono essere impossibili.

Ma inizialmente si sperava che i limiti prescritti dalla

termodinamica quantistica potessero essere meno stringenti

di quelli che valgono nel dominio classico. "Questo è stato il

filo di pensiero che abbiamo mutuato dal calcolo quantistico:

gli effetti quantistici consentono di superare i limiti classici",

afferma Raam Uzdin, fisico quantistico del Technion-Israel

Institute of Technology di Haifa.

Purtroppo non è così, dice Uzdin. Analisi recenti indicano

che le versioni quantistiche della seconda legge, che

governa l'efficienza, e della terza legge, che vieta ai sistemi

di raggiungere lo zero assoluto di temperatura, mantengono

vincoli simili, e in alcuni casi più stringenti, delle loro

controparti classiche.

Alcune differenze sono dovute al fatto che la quantità

termodinamica macroscopica "energia libera", cioè l'energia

che un sistema ha a disposizione per funzionare, non ha

una sola controparte alle microscale, ma ne ha molte, dice

Jonathan Oppenheim, fisico quantistico dello University

College di Londra.

Classicamente, l'energia libera viene calcolata postulando

che tutti gli stati del sistema, determinati dalla disposizione

delle particelle in corrispondenza di una certa energia, siano

altrettanto probabili. Ma questa ipotesi non vale alle piccole

scale, dice Oppenheim; alcuni stati potrebbero essere molto

più probabili di altri. Per tenere conto di ciò, è necessario

definire ulteriori energie libere per descrivere in modo accurato

il sistema e la sua evoluzione. Oppenheim e i suoi colleghi

ipotizzano che esistano diverse versioni della seconda legge

per ogni tipo di energia libera e che i dispositivi quantistici

debbano obbedire a tutte. "Dal momento che la seconda legge

ti dice che cosa non è consentito fare, in qualche modo,

sembra che avere più leggi alle microscale sia peggio",

dice Oppenheim.

La nuova termodinamica: come la fisica quantistica sta

cambiando le regole
La seconda legge della termodinamica: afferma che l'entropia

di un sistema isolato (S) non può mai diminuire ma solo

aumentare o al massimo rimanere costante

(Science Photo Library/AGF)
Gran parte del lavoro per calcolare le leggi equivalenti della

seconda e della terza legge rimane, per ora, teorico.

Ma i proponenti sostengono che possa aiutare a capire in

che modo i limiti termodinamici siano fisicamente applicati

alle piccole scale. Per esempio, un'analisi teorica condotta

da una coppia di fisici quantistici argentini ha mostrato che

quando un frigorifero quantistico si avvicina allo zero assoluto,

nelle vicinanze del dispositivo appaiono spontaneamente

dei fotoni. "Ciò scarica energia nell'ambiente circostante,

provocando un effetto di riscaldamento che contrasta il

raffreddamento e impedisce di raggiungere lo zero assoluto",

spiega Nahuel Freitas della Ciudad University di Buenos

Aires, membro del gruppo.

La teoria ha anche rivelato un potenziale spazio di manovra.

Con un'analisi teorica che esaminava il flusso di informazioni

tra camere calde e fredde o "bagni" di particelle, un gruppo

di Barcellona, che includeva Riera e il fisico quantistico

Manabendra Nath Bera, ha scoperto uno strano scenario,

in cui il bagno caldo sembrava diventare spontaneamente

ancora più caldo, e il bagno freddo ancora più freddo.

"In un primo momento è sembrata una follia, come se

si potesse violare la termodinamica", dice Bera. Ma i

ricercatori hanno capito presto di aver trascurato

l'entanglement quantistico: le particelle nei bagni possono

diventare entangled. In teoria, produrre e rompere queste

correlazioni offre un modo per immagazzinare e rilasciare

energia. Una volta che questa risorsa quantistica è stata

tenuta in conto, le leggi della termodinamica hanno

ripreso a valere.

Alcuni gruppi indipendenti hanno proposto di usare questo

entanglement per immagazzinare energia in una "batteria

quantistica" e un gruppo dell'Istituto Italiano di Tecnologia

di Genova sta tentando di confermare le previsioni del

gruppo di Barcellona con batterie costituite da bit

quantistici, o "qubit", superconduttori. In linea di principio,

tali batterie quantistiche potrebbero caricarsi in modo

molto più veloce dei loro corrispettivi classici. "Non sarai

in grado di estrarre e conservare più energia di quanto

consentito dal limite classico", dice Riera. "Ma potresti

essere in grado di accelerare le cose".

Alcuni ricercatori stanno cercando modi più semplici per

manipolare qubit per le applicazioni di calcolo quantistico.

Il fisico quantistico Nayeli Azucena Rodríguez Briones

dell'Università di Waterloo, in Canada, e i suoi colleghi

hanno definito un'operazione che potrebbe migliorare

il raffreddamento necessario per le operazioni di calcolo

quantistico manipolando coppie di livelli di energia dei

qubit. Attualmente hanno in programma di verificare

questa idea in laboratorio usando qubit superconduttori.

Una piccola scintilla