Un motor que rompe esquemas y supera la termodinámica clásica. Un equipo de la Universidad de Granada (UGR) ha demostrado que se pueden aprovechar las propiedades cuánticas de la luz en un motor de nueva generación.
Álvaro Tejero, Daniel Manzano y Pablo I. Hurtado han puesto en valor la luz exprimida, un recurso del régimen cuántico, y convertirlo directamente en trabajo mecánico aprovechable.
Cómo es el motor que aprovecha las propiedades cuánticas de la luz
El mecanismo se basa en la presión de radiación que ejerce la luz sobre un elemento optomecánico móvil, y funciona incluso cuando todo el sistema se mantiene a temperatura constante. El estudio, publicado en Physical Review E, redefine el concepto de trabajo en sistemas cuánticos y propone un nuevo tipo de motor cuántico impulsado únicamente por efectos no clásicos.
Uno de los resultados principales del estudio es conceptual. En termodinámica cuántica, la definición más utilizada de trabajo —propuesta por Spohn y Alicki a finales de los años setenta— identifica el trabajo con los cambios de energía debidos a la variación del operador hamiltoniano del sistema. Sin embargo, los autores muestran que esta definición no captura correctamente el trabajo mecánico extraíble cuando intervienen estados no clásicos. En un sistema optomecánico —como una cavidad óptica con un espejo móvil— la presión de radiación ejercida por la luz puede desplazar el espejo y realizar trabajo mecánico.
Energía para mantener el carácter cuántico del estado de la luz
Al analizar este proceso con luz exprimida, los investigadores han descubierto que parte de la energía contabilizada como trabajo en la definición estándar se invierte realmente en mantener el carácter cuántico del estado de la luz a través de procesos internos de dos fotones.
“Esa energía no se puede extraer como trabajo mecánico”, señalan los autores, “porque está bloqueada en preservar el recurso cuántico. Por este motivo proponemos usar el trabajo de expansión por presión de radiación como la magnitud físicamente relevante”.
Este enfoque permite identificar de forma clara lo que los autores denominan trabajo no clásico: trabajo que solo existe gracias a propiedades genuinamente cuánticas y que desaparece en el límite clásico.
Motor de Otto cuántico
A partir de estas ideas, el equipo diseña y analiza un motor de Otto cuántico. A diferencia de los motores térmicos habituales —tanto clásicos como cuánticos—, este dispositivo opera a temperatura constante, sin necesidad de un baño caliente y uno frío.
Los cálculos teóricos y simulaciones numéricas confirman que el ciclo es plenamente consistente con las leyes de la termodinámica y que produce trabajo neto de forma estable. Además, revelan un comportamiento inesperado: aunque el trabajo extraído suele aumentar al disminuir la temperatura, existe un valor óptimo no nulo de temperatura para el que la producción de trabajo es máxima, como resultado de una interacción sutil entre efectos térmicos y cuánticos.
Más allá del interés fundamental, el trabajo tiene claras implicaciones experimentales. Los niveles necesarios para observar estos efectos se encuentran dentro del alcance de plataformas experimentales actuales, tanto en cavidades ópticas, como las usadas en LIGO para la detección de ondas gravitacionales, como en circuitos superconductores de microondas.
“Este trabajo proporciona un marco teórico claro para identificar y medir trabajo no clásico en experimentos”, destacan los autores. Este estudio muestra que recursos genuinamente cuánticos pueden transformarse directamente en trabajo mecánico, redefiniendo los límites de la termodinámica a escala microscópica.
