Concorrenza e co

Immagina un grande orologio a pendolo circondato da diversi piccoli orologi che iniziano a ticchettare a ritmi diversi. Se si permette ai pendoli dell’orologio di regolare i loro ritmi in base a quelli dei loro vicini, col tempo possono sincronizzarsi e muoversi all’unisono l’uno con l’altro. Questo processo di sincronizzazione coinvolge due meccanismi di feedback: interazioni tra piccoli orologi identici e interazione di ciascun piccolo orologio con quello grande esterno.

Nel mondo quantistico, tuttavia, questa coesistenza – e l’impatto delle correlazioni quantistiche su di essa – sono rimasti in gran parte inesplorati. Anche i possibili benefici termodinamici della sincronizzazione nei sistemi quantistici non sono stati studiati molto.

I ricercatori del Centro di fisica teorica dei sistemi complessi presso l’Istituto per le scienze di base, in Corea, e dell’Indian Institute of Technology di Bombay, in India, hanno recentemente deciso di colmare questa lacuna. Il loro lavoro fa luce su come i due meccanismi di sincronizzazione – interazione tra sistemi e interazioni con una fonte esterna comune – competono o cooperano quando mostrano un comportamento termodinamico nelle macchine quantistiche.

Nel loro studio, che descrivono in Physical Review Letters, Taufiq Murtadho, Sai Vinjanampathy e Juzar Thingna considerano un insieme di macchine termiche quantistiche che interagiscono reciprocamente. Le macchine in questione sono sistemi quantistici multilivello a contatto con un serbatoio caldo e uno freddo. Il livello più eccitato del sistema è costituito da più parti identiche con accoppiamento reciproco, analogamente ai piccoli orologi della metafora. Per imitare il comportamento del grande orologio – una comune unità esterna che trascina l’evoluzione del sistema – la macchina interagisce anche con una fonte esterna. A seconda del regime di lavoro, questa configurazione può comportarsi come un motore che pompa il calore dal serbatoio caldo a quello freddo, o come un frigorifero che fa il contrario.

Il team ha iniziato dimostrando che un semplice sistema a quattro livelli, che interagisce con una fonte esterna, è sufficiente per studiare l’interazione dei meccanismi di sincronizzazione e la sua utilità per i motori termici quantistici. Thingna e colleghi hanno poi studiato cosa succede alle molteplici parti identiche della macchina a causa dei due meccanismi di sincronizzazione quando l'impianto si comporta come un motore e quando si comporta come un frigorifero.

In particolare, hanno scoperto che l’interazione tra le singole parti della macchina può produrre una configurazione simmetrica – tutte le parti corrispondono ai ritmi – e una configurazione antisimmetrica – tutte le parti non corrispondono ai ritmi. Al contrario, la fonte esterna trascina sempre le molteplici parti in una configurazione simmetrica.

Seguendo questo filo, i ricercatori hanno scoperto che nel regime del motore, i due meccanismi – interazione reciproca e spinta esterna – favoriscono configurazioni opposte di stati. Ciò porta alla concorrenza tra i due meccanismi. Nel regime frigorifero, invece, entrambi i meccanismi preferiscono la configurazione simmetrica e quindi cooperano.

Il team ha poi fatto un ulteriore passo avanti e ha dimostrato che nel limite termodinamico, quando il numero di parti singole multiple è molto elevato, si verificano ancora competizione e cooperazione tra i meccanismi. Tuttavia, man mano che il sistema viene ampliato, l’accoppiamento reciproco diventa il meccanismo dominante. Ciò lascia inalterato il regime di cooperazione, ma la competizione, sebbene ancora presente, diventa meno rilevante nel regime del motore.

Oltre a scoprire l’interazione tra i meccanismi, gli autori hanno anche fatto luce su come la sincronizzazione influisce sulle prestazioni termodinamiche delle macchine quantistiche. In un articolo complementare pubblicato su Physical Review A, gli autori illustrano come la sincronizzazione può limitare la quantità di calore disperso generato. Per una macchina funzionante, un motore o un frigorifero, ciò implica, oltre il noto limite superiore di Carnot, un nuovo limite inferiore per l’efficienza.

La meccanica quantistica e la termodinamica possono essere entrambe vere, dicono i fisici

Secondo Thingna e Vinjanampathy, questi risultati avranno implicazioni dirette per la costruzione di tecnologie quantistiche in cui la guida esterna e le interazioni reciproche sono importanti. Aggiungono che comprendere le connessioni tra la termodinamica e i diversi tipi di meccanismi di sincronizzazione nei sistemi quantistici sarà vitale per costruire e progettare macchine ad alta efficienza energetica che operano secondo principi termodinamici. Questo lavoro, concludono, aggiunge un ulteriore pezzo al puzzle dei vari aspetti del “quantistico” nella termodinamica quantistica.