Un frigorifero quantistico per testare la termodinamica

Schema di funzionamento dei quattro punti quantici che funzionano come un refrigeratore. (Crediti: Venturelli, et al. ©2013 American Physical Society).

Sul numero di Physical Review Letters di febbraio era già comparso un interessante articolo in cui si spiegava come fosse possibile costruire un sistema “a due punti quantici” in grado di funzionare come il noto diavoletto di Maxwell (ne ho parlato qui). Questa estate un gruppo di ricercatori italiani ha implementato questo schema di base riuscendo a realizzare una vero e proprio frigorifero quantistico basato sull’interazione di quattro punti quantici. L’articolo, che si intitola “Minimal Self-Contained Quantum Refrigeration Machine Based on Four Quantum Dots” è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Il secondo principio della termodinamica dice che l’entropia di un sistema chiuso non può diminuire. In modo più esteso, esso postula che il calore si trasferisce sempre dal corpo più caldo a quello più freddo, mai viceversa, e questo accade fin quando l’equilibrio termico non viene raggiunto. Se prendiamo un surgelato dal freezer e lo mettiamo in una pentola di acqua calda non c’è alcun dubbio che esso cominci a sciogliersi (facendo abbassare la temperatura dell’acqua). Benché non esistano leggi della meccanica che lo vietino, non accadrà mai – o, meglio, è altamente improbabile – che il calore vada in senso inverso rendendo il surgelato ancora più freddo e l’acqua più calda. A livello microscopico le cose stanno diversamente.

Un punto quantico (o quantum dot) è una nanostruttura spesso formata da materiali conduttori. Già nel precedente esperimento si era mostrata la possibilità di ottenere un dispositivo termoelettrico in grado di trasferire energia da un serbatoio ad un altro. Ora, con l’obiettivo di comprendere la relazione tra la termodinamica e la meccanica quantistica, Davide Venturelli, Rosario Fazio, e Vittorio Giovannetti della Scuola Normale Superiore di Pisa, hanno studiato il comportamento del più piccolo frigorifero quantistico che sia possibile realizzare. Esattamente come un frigorifero, il dispositivo deve essere in grado di trasferire calore da un serbatoio ad un altro: in che modo? Usando soli quattro punti quantici, ciascuno in contatto con un diverso serbatoio termico, che estraggono il calore dal serbatoio freddo e raffreddano il punto quantico contiguo.

Il sistema proposto è costituito da quattro punti quantici disposti in una configurazione quadrata, che i ricercatori chiamano quadridot. Questo quadridot agisce come congelatore quantistico quando  i punti quantici sono collegati a quattro serbatoi indipendenti (uno caldo, uno freddo, e due di temperatura intermedia). Il quadridot pompa energia sotto forma di elettroni dal serbatoio caldo e, passando per il serbatoio freddo, fluisce ai serbatoi a temperatura intermedia. Se regolato correttamente, il quadridot può raffreddare il quantum dot in vicino ad una temperatura che è inferiore a quella iniziale.

Si tratta naturalmente di un esercizio teoretico: “attualmente, la nostra è solo una proposta teorica che ha lo scopo di dimostrare che un dispositivo simile può in linea di principio essere realizzato con la tecnologia attuale”, ha detto Vittorio Giovannetti. “Abbiamo, tuttavia, iniziato a collaborare con il NEST di Pisa per vedere se è possibile implementare il nostro progetto. La difficoltà principale attualmente è associata al flusso di calore che possiamo produrre nel sistema (anzi, anche se l’efficienza è teoricamente elevata, il flusso netto che il dispositivo può permettersi è molto basso), flusso a cui resta associato il rumore di fondo. A livello teorico, stiamo cercando di ottimizzare le prestazioni del sistema, includendo nell’analisi un ulteriore grado di libertà (per esempio, i potenziali chimici dei bacini del dispositivo che, per il momento, sono stati semplicemente presunti”.

Capire come termodinamica funziona a livello quantistico potrebbe aiutare a controllare il trasporto di calore nei nanodispositivi, e potrebbe avere vasta gamma di applicazioni nella nanoelettronica. (Fonte: phys.org/news/2013-07-physicists-quantum-refrigerator-based-dots.html. Pubblicato su cyberscienza.it il 9/07/2013).

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