Establecen las bases para el desarrollo de un innovador motor cuántico

La mecánica cuántica es una rama de la física que explora las propiedades e interacciones entre partículas a escala muy pequeña, por debajo de las dimensiones que se obtendrían al dividir el grosor de un cabello unas 100.000 veces. Las investigaciones en este campo han derivado en el desarrollo de tecnologías muy poderosas, dando lugar a grandes avances en la computación, las telecomunicaciones y la energía.

Recientemente Eloisa Cuestas, del Instituto de Física Enrique Gaviola (IFEG, CONICET-UNC), junto a colaboradores de Alemania y Japón, presentaron un motor que emplea los principios de la mecánica cuántica para generar energía útil de forma más eficiente que los motores tradicionales a combustión. Los resultados del trabajo fueron publicados en la prestigiosa revista Nature.

“Las partículas cuánticas se dividen en dos tipos con comportamientos muy distintos, llamados bosones y fermiones. Esas diferencias están codificadas en lo que se conoce como estadística cuántica, una propiedad que no tiene equivalente en el mundo macroscópico que habitamos”, explica Cuestas.

Y agrega: “Los bosones están todos concentrados en el mismo estado. En cambio, sólo puede haber un fermión en cada estado cuántico dentro de un mismo sistema. Este fenómeno se conoce como ‘principio de exclusión de Pauli’. Si nos imaginamos una biblioteca, sería como la diferencia entre tener todos los libros en el piso y tener un libro en cada estante. Si todos los libros están en el piso, no se pueden caer. Cuando un libro cae desde un estante más alto, nos golpea más fuerte porque la energía que tenía respecto al piso era más grande. Los fermiones, al estar cada vez más alto en nuestros estantes imaginarios, tienen una energía mayor respecto a la de los bosones. Esa característica es la que aprovechamos para desarrollar este motor”.

El novedoso dispositivo, al que denominaron Motor de Pauli, se basa en la diferencia en energía que se genera en un gas de átomos ultrafríos (en este caso, de litio) que cambia la estadística cuántica cuando se modifica un campo magnético externo. Bajo cierto valor del campo magnético, se observa que dos fermiones se combinan para formar un bosón. Al cambiar el campo magnético nuevamente, estas moléculas se separan para volver a comportarse como fermiones. Este cambio en la estadística cuántica del sistema se repite cíclicamente, y hace las veces del calor entregado al combustible en el motor de un auto durante su ignición.

Las investigaciones orientadas al desarrollo de motores con tecnología cuántica tienen ya quince años de trayectoria; pero hasta hace cinco años, la mayoría de los diseños imitaba los motores clásicos sin aprovechar posibles ventajas provistas por las propiedades cuánticas de la materia. Según Cuestas, esta tecnología podría servir para depositar medicamentos en lugares específicos de las células para ser captados de forma más eficiente, o ser implementada para cargar baterías cuánticas o alimentar computadoras y sensores cuánticos. También podría ser útil en las áreas de metrología y criptografía cuántica.

Sin embargo, las aplicaciones directas aún están en su infancia. La principal limitación para construir un motor cuántico es mantener el sistema a muy bajas temperaturas. A mayor temperatura, los dos tipos de partículas cuánticas se comportan del mismo modo y se pierde la diferencia en energía que mueve el motor.

La eficiencia máxima conseguida en los experimentos del Motor de Pauli fue del 25%. Como punto de comparación, la de un motor de auto moderno se encuentra entre el 20 y el 30%. Sin embargo, los/as autores/as del trabajo aseguran que la eficiencia del dispositivo podría llevarse fácilmente al 50%. “En lo que estoy enfocándome ahora es en la optimización del sistema, para hacerlo más eficiente. Trabajando esto a nivel teórico podemos ahorrar tiempo y recursos necesarios para realizar experimentos, que son costosísimos”, asegura Cuestas.

Los experimentos fueron realizados en Alemania, mientras que la propuesta teórica contó con los aportes de físicos y físicas de ese país, Japón y Argentina. Cuestas inició su colaboración durante la pandemia, cuando era becaria postdoctoral del CONICET, y la continuó durante su segundo posdoctorado en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST, por las siglas en inglés). Para la especialista, uno de los mayores desafíos del proyecto fue la comunicación entre la teoría y la práctica -entre lo imaginable y lo posible-, así como entre expertos de distintas subáreas de la física.

“Nuestra prueba de concepto ha encontrado una aceptación y entusiasmo enormes en la comunidad de termodinámica cuántica. Lo novedoso es que planteamos que el calor puede ser pensado de otra manera: no sólo asociado a un cambio de temperatura, sino también a un cambio de estadística. Estamos haciendo una interpretación netamente cuántica del calor que nadie había pensado antes [...] En Argentina tenemos un excelente nivel en física teórica, reconocido internacionalmente, y podemos contribuir mucho en este campo”, concluye Cuestas, cuyo proyecto actual para el CONICET se centra en investigar otras aplicaciones de este mismo sistema como, por ejemplo, en tareas de información cuántica.