Motores térmicos cuánticos con eficiencia mejorada

Un equipo de investigadores del IFISC (UIB-CSIC) ha demostrado que un conductor cuántico quiral sujeto a un voltaje de corriente alterna (AC) puede funcionar con eficiencias muy superiores al hasta ahora insuperable límite de Carnot. En el artículo, publicado en Nature Communications, los autores proponen una clase general de dispositivos cuánticos, operados periódicamente por corrientes dependientes del tiempo, que pueden convertir calor en electricidad con un rendimiento mayor.

Una de las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica es que la potencia generada por una máquina térmica ideal no puede superar el límite de eficiencia de Carnot en el régimen clásico. Sin embargo, este límite superior puede superarse, en principio, si aprovechamos la coherencia cuántica como un recurso para la producción de entropía. Por tanto, entender cómo se puede controlar la fuente de entropía en diferentes escenarios es clave para conseguir una mayor eficiencia en motores y refrigeradores cuánticos.

Para ello, el equipo consideró un motor cuántico de bombeo, que consiste en un dispersor túnel cuya transmisión depende de la energía, acoplado a terminales electrónicos de diferente temperatura y en presencia de un voltaje AC externo. Un punto crucial es que la mayoría de las fuentes de tensión AC inyectan energía neta en el motor, reduciendo así la potencia desarrollada. El principal hallazgo del estudio es mostrar cómo anular este efecto adverso utilizando conductores quirales. Estos conductores se caracterizan por una separación espacial del movimiento electrónico, tal y como ocurre en conductores creados a partir de materiales topológicos. Entonces, el dispositivo propuesto aplica selectivamente un campo de corriente alterna a los electrones en función de su dirección. Esto aumenta la eficiencia del motor cuántico más allá del límite de Carnot.

El artículo analiza dos ingredientes necesarios para observar este efecto: por un lado, una producción irreversible de entropía por los procesos de excitación fotoasistida inducidos por el campo de CA y, por otro, la ausencia de inyección neta de energía gracias a la quiralidad. El dispositivo también extrae trabajo de los terminales incluso si se mantienen a la misma temperatura, por lo que aparentemente viola la ley de Kelvin-Planck. Sin embargo, esto no significa que se contradiga la segunda ley de la termodinámica, ya que, con la definición adecuada, la producción de entropía es siempre positiva.

Estos resultados son relevantes dentro de los esfuerzos que se están llevando a cabo en la actualidad dentro del campo de la termodinámica cuántica a fin de comprender el papel que desempeñan los efectos de no equilibrio en las máquinas cuánticas.

Ryu, S., López, R., Serra, L. et al. Beating Carnot efficiency with periodically driven chiral conductors. Nat Commun 13, 2512 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30039-7

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