Nuove frontiere della fisica: ridefinire Calore e Lavoro nei sistemi quantistici. La ridefinizione parte da Basilea

La termodinamica, quella vecchia e cara amica che dai tempi della Rivoluzione Industriale ci spiega come trasformare il calore in movimento (e quindi in ricchezza), sta subendo un interessante aggiornamento. Se pensavate che le leggi di Newton o il teorema di Carnot fossero immutabili e definiti. Oggi sappiamo che, nel mondo microscopico, le cose si fanno decisamente più sfumate.

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Basilea, guidati dal professor Patrick Potts, ha recentemente pubblicato su Physical Review Letters uno studio che potrebbe cambiare il modo in cui intendiamo l’energia su scala nanoscopica. Il problema? Distinguere tra “lavoro utile” e “calore disperso” quando si ha a che fare con sistemi quantistici.

Dai cannoni di Monaco ai Laser quantistici

La storia parte da lontano, dal 1798, quando il conte Rumford (al secolo Benjamin Thompson), osservando la foratura delle canne di cannone a Monaco, intuì che il calore non era una sostanza fisica, ma il risultato dell’attrito meccanico. Quell’intuizione permise lo sviluppo dei motori a vapore. Oggi, le leggi della termodinamica sono i pilastri della scienza naturale:

1. L’energia totale (calore + lavoro) si conserva.

2. L’entropia (il disordine) non può mai diminuire in un sistema chiuso.

Tuttavia, quando scendiamo nel regno del microscopico, dove regnano le leggi della meccanica quantistica, queste distinzioni macroscopiche iniziano a vacillare. Come spiega Aaron Daniel, dottorando e co-autore dello studio: «Il problema è che nei sistemi quantistici tutto è microscopico. La distinzione tra lavoro (energia macroscopica utile) e calore (movimento microscopico disordinato) non è più così immediata».

Il paradosso del Laser

Per risolvere l’enigma, i ricercatori hanno utilizzato un sistema basato su risonatori a cavità ottica. Immaginate della luce laser che rimbalza tra due specchi in una cavità a vuoto assoluto. L’esperimento si caratterizza per le sueguenti qualità:

• Luce coerente: A differenza di una lampadina, le onde del laser oscillano all’unisono (“in lockstep”). È un movimento ordinato, per cui è ben identificabile l’effetto dell’entropia del disordine.

• Luce incoerente: Se il laser attraversa atomi che disturbano questo ordine, la luce diventa parzialmente incoerente. Diventa “rumore”, incoerente.

Fino ad oggi, l’approccio convenzionale tendeva a trattare tutta l’energia che “usciva” dal sistema come calore disperso, ignorando che una parte di essa manteneva ancora una certa coerenza.

Configurazione ì dell’esperimento. Una cavità con un sistema quantistico incorporato, governato dall’Hamiltoniano ^𝐻′, è guidata dal campo di ingresso, che contiene una parte coerente, data dalla media del campo di ingresso ⟨^𝑏in⟩, nonché fluttuazioni termiche. Rispetto all’ingresso, il campo di uscita, ^𝑏out, ha tipicamente una parte coerente più piccola e fluttuazioni maggiori. Il lavoro ( 𝑃io) e il calore ( 𝐽io) sono dati rispettivamente dalle variazioni della parte coerente e delle fluttuazioni. Il calore dissipato dal sistema intracavità è dato da 𝐽′.

La soluzione di Basilea: ridefinire il Lavoro

Il team svizzero ha proposto un nuovo formalismo. Invece di scartare tutto l’output come calore, hanno ridefinito il concetto di lavoro nei sistemi quantistici basandosi sulla coerenza.

Ecco come cambia la prospettiva:

Quindi comunque il principio viene rispettato, solo che, a livello quantistico, quello che non fuoriesce come luce coerente può essere non solo calore, ma anche luce incoerente, cioè “Lavoro”. Quindi i principi generali sono rispettati, anzi lo sono perfino in modo più stretto.

Applicando questa distinzione, i ricercatori hanno dimostrato che le leggi della termodinamica non solo vengono rispettate, ma il secondo principio diventa più rigoroso: senza una fonte esterna di entropia, la luce in uscita deve essere necessariamente “più rumorosa” di quella in ingresso.

Perché ci interessa?

Non è solo un esercizio accademico per fisici teorici. Questa nuova definizione permette di calcolare con precisione l’efficienza delle tecnologie quantistiche future, come le reti quantistiche o le batterie quantistiche. Capire esattamente quanto “lavoro” utile possiamo estrarre da un sistema microscopico è la chiave per passare dalla teoria alla pratica industriale nel settore dell’high-tech.

In sostanza, anche nel mondo dei quanti, non si butta via niente: basta saper distinguere ciò che è rumore da ciò che è ancora buona, vecchia energia utilizzabile. Un approccio all’efficienza che, in tempi di scarsità energetica, non può che trovarci d’accordo.

Domande e risposte

Qual è la differenza principale tra lavoro e calore in questo contesto?

Nel mondo macroscopico, il lavoro è energia ordinata (un pistone che spinge), mentre il calore è energia disordinata.1 Nel mondo quantistico studiato dai ricercatori, questa distinzione si basa sulla “coerenza” della luce. La luce che oscilla all’unisono (coerente) è considerata in grado di compiere lavoro, ad esempio caricando una batteria quantistica. La luce che ha perso questa sincronia ed è diventata disordinata (incoerente) viene classificata come calore.

Perché le leggi della termodinamica classica falliscono nel mondo quantistico?

Non è che falliscano, ma diventano ambigue. Le leggi classiche si basano sulla media statistica di miliardi di particelle. Quando si scende al livello di singoli atomi o fotoni, le fluttuazioni sono enormi e la distinzione tra un movimento “utile” e uno “casuale” sfuma. Senza una definizione precisa di cosa sia “lavoro” a quella scala, i calcoli sull’efficienza e sull’entropia rischiano di portare a paradossi o risultati incoerenti.

Quali sono le applicazioni pratiche di questa scoperta?

Questo nuovo quadro teorico è fondamentale per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche emergenti, come i computer quantistici, i sensori di precisione e le reti di comunicazione quantistica. Permette agli ingegneri di capire meglio come gestire il “rumore” (il nemico numero uno di questi sistemi) e come estrarre energia utile da sistemi microscopici, migliorando l’efficienza di dispositivi come amplificatori o batterie quantistiche.

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