Deux physiciens de l'université de Stuttgart ont prouvé que le principe de Carnot, loi centrale de la thermodynamique, ne s'applique pas aux objets à l'échelle atomique dont les propriétés physiques sont liées (objets dits corrélés). Cette découverte pourrait, par exemple, faire progresser le développement de minuscules moteurs quantiques économes en énergie. La dérivation a été publiée dans la revue Avancées scientifiques.
Les moteurs à combustion interne et les turbines à vapeur sont des moteurs thermiques : ils convertissent l'énergie thermique en mouvement mécanique ou, en d'autres termes, la chaleur en mouvement. Ces dernières années, des expériences de mécanique quantique ont réussi à réduire la taille des moteurs thermiques à l’échelle microscopique.
« De petits moteurs, pas plus gros qu'un atome, pourraient devenir une réalité dans le futur », déclare le professeur Eric Lutz de l'Institut de physique théorique I de l'Université de Stuttgart. « Il est désormais également évident que ces moteurs peuvent atteindre un rendement maximal supérieur à celui des moteurs thermiques plus gros. »
Le professeur Lutz et le Dr Milton Aguilar, chercheur postdoctoral à l'Institut de physique théorique I, expliquent les raisons de cela dans leur article. Dans cette interview, les deux scientifiques résument leur découverte.
Qu'avez-vous découvert exactement ?
Il y a presque exactement 200 ans, le physicien français Sadi Carnot déterminait l'efficacité maximale des moteurs thermiques. Le principe de Carnot, la deuxième loi de la thermodynamique, a été développé pour les grands objets macroscopiques. C'est le cas par exemple des turbines à vapeur. Cependant, nous avons maintenant pu prouver que le principe de Carnot doit être étendu pour décrire des objets à l'échelle atomique, par exemple des moteurs moléculaires fortement corrélés.
Pourquoi donc?
Carnot a démontré que l'écart de température a une influence décisive : plus l'écart entre le chaud et le froid est grand, plus le rendement maximal possible d'un moteur thermique est élevé. Cependant, le principe de Carnot néglige l’influence des corrélations dites quantiques. Ce sont des liaisons spéciales qui se forment entre particules à très petite échelle.
Pour la première fois, nous avons dérivé des lois thermodynamiques généralisées qui tiennent pleinement compte de ces corrélations. Nos résultats montrent que les machines thermiques fonctionnant à l’échelle atomique peuvent convertir non seulement la chaleur mais aussi les corrélations en travail. En conséquence, ils peuvent produire plus de travail et l’efficacité d’un moteur quantique peut dépasser la limite traditionnelle de Carnot.
Quelles perspectives ouvrent vos recherches fondamentales ?
Notre travail approfondit notre connaissance du monde au niveau atomique. Mieux nous comprendrons les lois physiques qui s’appliquent dans ces dimensions, plus tôt nous serons en mesure de les utiliser pour développer les technologies de demain, telles que de minuscules moteurs quantiques très efficaces capables d’effectuer avec précision des tâches à l’échelle nanométrique. Peut-être qu’un jour de tels moteurs alimenteront des nanobots médicaux ou des machines de contrôle qui traitent les matériaux au niveau atomique ? Le potentiel est extrêmement diversifié.
