Investigadores de la UGR diseñan un motor que explota las propiedades cuánticas de la luz

La termodinámica clásica establece que para obtener trabajo mecánico de un motor es necesario una diferencia de temperatura entre dos focos térmicos. Sin embargo, en el régimen cuántico existen recursos sin equivalente clásico. Uno de ellos es el squeezing –o luz exprimida– un estado puramente cuántico de la luz en el que las fluctuaciones cuánticas se redistribuyen de manera asimétrica entre las distintas componentes del campo electromagnético, consecuencia del Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

Un equipo de físicos teóricos de la Universidad de Granada, del Grupo de Termodinámica y Computación Cuántica  y el Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional, formado por Álvaro Tejero, Daniel Manzano y Pablo I. Hurtado, ha demostrado que este tipo de estado cuántico puede convertirse directamente en trabajo mecánico aprovechable, según recoge GRXactualidad en un comunicado emitido por Canal UGR.

El mecanismo se basa en la presión de radiación que ejerce la luz sobre un elemento optomecánico móvil, y funciona incluso cuando todo el sistema se mantiene a temperatura constante. El estudio, publicado en Physical Review E, redefine el concepto de trabajo en sistemas cuánticos y propone un nuevo tipo de motor cuántico impulsado únicamente por efectos no clásicos.

Optomecánica y presión de radiación

Uno de los resultados principales del estudio es conceptual. En termodinámica cuántica, la definición más utilizada de trabajo —propuesta por Spohn y Alicki a finales de los años setenta— identifica el trabajo con los cambios de energía debidos a la variación del operador hamiltoniano del sistema. Sin embargo, los autores muestran que esta definición no captura correctamente el trabajo mecánico extraíble cuando intervienen estados no clásicos. En un sistema optomecánico —como una cavidad óptica con un espejo móvil— la presión de radiación ejercida por la luz puede desplazar el espejo y realizar trabajo mecánico. 

Al analizar este proceso con luz exprimida, los investigadores han descubierto que parte de la energía contabilizada como trabajo en la definición estándar se invierte realmente en mantener el carácter cuántico del estado de la luz a través de procesos internos de dos fotones. “Esa energía no se puede extraer como trabajo mecánico”, señalan los autores, “porque está bloqueada en preservar el recurso cuántico. Por este motivo proponemos usar el trabajo de expansión por presión de radiación como la magnitud físicamente relevante”. Este enfoque permite identificar de forma clara lo que los autores denominan trabajo no clásico: trabajo que solo existe gracias a propiedades genuinamente cuánticas y que desaparece en el límite clásico.

Un motor de Otto cuántico impulsado por squeezing

A partir de estas ideas, el equipo diseña y analiza un motor de Otto cuántico impulsado por squeezing. A diferencia de los motores térmicos habituales —tanto clásicos como cuánticos—, este dispositivo opera a temperatura constante, sin necesidad de un baño caliente y uno frío. El ciclo se basa en cuatro tiempos: compresión y expansión de la cavidad, donde se extrae trabajo mecánico neto; y dos procesos a volumen constante en los que el sistema intercambia energía con focos a la misma temperatura, pero preparados en estados cuánticos con distinto grado de squeezing. Es esta diferencia de squeezing, y no un gradiente térmico, la que alimenta el motor.

Los cálculos teóricos y simulaciones numéricas confirman que el ciclo es plenamente consistente con las leyes de la termodinámica y que produce trabajo neto de forma estable. Además, revelan un comportamiento inesperado: aunque el trabajo extraído suele aumentar al disminuir la temperatura, existe un valor óptimo no nulo de temperatura para el que la producción de trabajo es máxima, como resultado de una interacción sutil entre efectos térmicos y cuánticos.

Más allá del interés fundamental, el trabajo tiene claras implicaciones experimentales. Los niveles de squeezing necesarios para observar estos efectos se encuentran dentro del alcance de plataformas experimentales actuales, tanto en cavidades ópticas, como las usadas en LIGO para la detección de ondas gravitacionales, como en circuitos superconductores de microondas. “Este trabajo proporciona un marco teórico claro para identificar y medir trabajo no clásico en experimentos”, destacan los autores. Este estudio muestra que recursos genuinamente cuánticos pueden transformarse directamente en trabajo mecánico, redefiniendo los límites de la termodinámica a escala microscópica.