Allacciate le cinture: il motore quantistico è pronto a partire!

DATA ULTIMO AGGIORNAMENTO: 24 Novembre 2023

Superficialmente si potrebbe pensare che la meccanica quantistica non sia importante per la vita di tutti i giorni: d’altro canto essa si occupa di oggetti minuscoli, come gli atomi e le particelle che li costituiscono o al più le molecole.

Ciò sarebbe però un grave errore, in quanto numerosi strumenti che usiamo quotidianamente funzionano, o sono più efficienti, proprio grazie alla meccanica quantistica: dai chip dei computer alla tomografia a risonanza magnetica, passando per i sistemi di navigazione.

Per rendere il concetto ancora più chiaro, una collaborazione internazionale di ricercatori giapponesi e tedeschi ha ora progettato e sviluppato un motore in grado di funzionare grazie a principi quantistici, piuttosto che al consumo di carburante.

Sarà arrivato il momento di rottamare le nostre auto con motore a combustione? Andiamo a scoprirlo insieme.

I principi di funzionamento di un motore

Per far girare le ruote di un’automobile è necessaria energia: in un motore tradizionale, essa viene prodotta nella camera di combustione, dove solitamente viene incendiata una miscela di aria e carburante.

L’esplosione che ne risulta riscalda e fa espandere la miscela, che a sua volta spinge un pistone avanti e indietro, generando energia. Ora, come riprodurre questo comportamento in ambito quantistico, senza ricorrere alla combustione?

Come spiega Merle Naidoo sul sito dell’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), un gruppo di ricercatori locali ha messo in piedi una collaborazione con la fisica Jennifer Koch e altri delle Università di Kaiserslautern-Landau e Stoccarda, per studiare la possibilità di sostituire la combustione con un cambio nella natura quantistica delle particelle.

Per capire il funzionamento di questo processo, è necessario innanzitutto sapere che in natura le particelle vengono divise in due categorie, in base alle loro caratteristiche quantistiche:

• bosoni, come il famoso bosone di Higgs;
• fermioni, tra cui ad esempio gli elettroni.

Fermioni e bosoni

Nel caso del motore quantistico, la distinzione fondamentale tra le due tipologie è il fatto che le particelle siano soggette o meno al principio di esclusione di Pauli: due fermioni (ma non due bosoni) identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantistico.

Se ora portiamo un gruppo di bosoni e uno di fermioni a temperature bassissime (cioè, in un ambiente in cui gli effetti termici sono irrilevanti), i due gruppi si comporteranno in maniera decisamente diversa:

• i bosoni resteranno tutti allo stato energetico più basso (detto stato fondamentale) e si uniranno tra di loro;
• i fermioni, obbedendo diligentemente al principio di Pauli, si allontaneranno l’uno dall’altro, andando ad occupare diversi livelli energetici, via via più alti.

Il risultato sarà che il gruppo di fermioni avrà un livello energetico totale più alto di quello dei bosoni, ed è proprio questo fattore che i ricercatori hanno sfruttato per realizzare il loro esperimento.

La realizzazione di un motore quantistico

Ma come usare questa differenza energetica per alimentare un motore quantistico, un po’ come in uno classico si riscalda e si raffredda ciclicamente un gas nella camera di combustione? “Semplice”: basta trasformare i fermioni in bosoni e viceversa.

Per fare ciò, si possono prendere due fermioni e combinarli in una molecola, il che dà vita a un bosone; in seguito, disgregando tale molecola, è possibile ottenere nuovamente dei fermioni.

Per il loro esperimento, i ricercatori hanno usato del litio ultra-freddo, a cui hanno applicato un campo magnetico abbastanza potente da farne avvicinare i fermioni, ottenendo quindi dei bosoni; rilasciando poi il campo, i fermioni sono tornati nuovamente separati, in pratica convertendo energia magnetica in energia meccanica.

Il processo ha un’efficienza piuttosto elevata, che aumenta proporzionalmente al numero di particelle usate, fino a raggiungere picchi del 25% negli esperimenti effettuati in un laboratorio in Germania.

Problemi aperti e il futuro della ricerca

Tutto pronto per una nuova rivoluzione industriale, quindi? Non proprio: il motore quantistico ha infatti il problema non da poco di funzionare solo a temperature estremamente basse, in quanto il calore è nemico giurato degli effetti quantistici.

Di conseguenza, serve parecchia energia per mantenere il motore quanto più freddo possibile, il che chiaramente lo rende poco utile all’atto pratico.

Ciò nonostante, i risultati ottenuti sono molto incoraggianti e hanno il potenziale per generare nuove idee anche in campi diversi come quello dei superconduttori, dove coppie di elettroni sono in grado di trasportare corrente senza sprechi.

I prossimi passi riguarderanno l’esame di questioni teoriche riguardo il funzionamento del sistema, ma anche aspetti più pratici come migliorarne ulteriormente l’efficienza e studiarne l’applicabilità anche in dispositivi di uso comune, come batterie e sensori.

(Originariamente pubblicato su Storie Semplici)