En un notable avance que podría marcar un hito en la fusión entre la física cuántica y la tecnología, un grupo de científicos ha concebido el primer motor cuántico. Este dispositivo aprovecha las singularidades de la mecánica cuántica para llevar a cabo trabajo mecánico innovador.
Condensación de Bose-Einstein
El motor cuántico en cuestión utiliza un gas que puede transitar de un estado fermiónico a un estado bosónico, representando dos categorías fundamentales de partículas que se distinguen por sus propiedades de espín y su comportamiento en el ámbito cuántico.
Los fermiones, caracterizados por su espín fraccional, obedecen al principio de exclusión de Pauli, lo que impide que ocupen simultáneamente el mismo estado cuántico, resultando en una tendencia a repelerse entre sí.
En contraste, los bosones, que poseen un espín entero, tienen la capacidad de agruparse y, bajo condiciones específicas, formar un condensado de Bose-Einstein (BEC). Este estado de la materia los transforma en una entidad cuántica única, marcando así un hito en la exploración de las posibilidades de la mecánica cuántica aplicada a la tecnología.
¿Cómo opera el motor cuántico?
El motor cuántico recientemente desarrollado opera mediante la utilización de átomos de litio extremadamente fríos, empleando un método conocido como resonancia de Feshbach. Este enfoque permite que el sistema entre en un estado de condensado de Bose-Einstein (BEC) con un pequeño volumen, al mismo tiempo que incorpora un pistón que lo comprime.
En el proceso, el BEC se transforma en un gas fermiónico, expandiendo su volumen y, como resultado, desplazando el pistón. Esta metamorfosis cíclica de fermiones a bosones y viceversa posibilita que el motor cuántico realice trabajo sin la necesidad de calor, marcando un principio fundamentalmente distinto a los motores térmicos convencionales.
Aunque la eficiencia del prototipo actual se sitúa en alrededor del 25%, ligeramente por debajo del rendimiento promedio de un motor de automóvil convencional, que podría rondar el 40%, los investigadores vislumbran un camino claro hacia la mejora y optimización de futuros prototipos.
Tecnología eficiente y sostenible
Este logro representa un paso crucial hacia la aplicación práctica de la mecánica cuántica en el desarrollo de tecnologías más eficientes y sostenibles.
“Transformar fermiones en bosones implica la combinación de dos fermiones para crear una molécula, la cual adopta la identidad de un bosón. Al romper esta molécula, recuperamos los fermiones originales.
Thomas Busch, coautor del estudio y líder de la Unidad de Sistemas Cuánticos en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa, explicó en un comunicado: ‘Realizando este proceso de forma cíclica, podemos alimentar el motor sin recurrir al calor’.
Primeros experimentos
A pesar de que este avance en el motor cuántico demuestra la aplicabilidad práctica de los principios de la mecánica cuántica en la realización de trabajo, no debemos anticipar la presencia inmediata de automóviles equipados con motores cuánticos.
La razón radica en la necesidad de mantener el sistema a temperaturas extremadamente bajas, lo que implica un consumo energético considerable para la refrigeración.
Sin embargo, los investigadores están activamente inmersos en la mejora del diseño del motor cuántico y exploran posibles aplicaciones para esta tecnología emergente, marcando el inicio de una nueva era en la intersección entre la física cuántica y la ingeniería mecánica.
