Des moteurs ultra-miniatures veulent faire plier la seconde loi de la thermodynamique
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Les moteurs de voiture et les batteries de nos téléphones fonctionnent grâce à la seconde loi de la thermodynamique. Mais des moteurs ultra-minuscules au niveau quantique tentent de faire plier cette seconde loi.
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Quand l’ingénieur français Sadi Carnot a calculé l’efficacité maximale d’un moteur thermique en 1824, il n’avait aucune idée du concept de chaleur. À cette époque, les physiciens pensaient que la chaleur était un fluide appelé calorique. Mais Carnot, qui est devenu ensuite un pionnier pour établir la seconde loi de la thermodynamique, n’avait pas besoin de ces détails parce que la thermodynamique est insensible au niveau microscopique. La chaleur va du chaud au froid indépendamment du fait qu’il s’agisse d’un fluide. Un fluide est une collection de trillions de molécules. La thermodynamique concerne les lois et les équations qui gouvernent l’énergie concernant principalement le niveau macroscopique.
Cette approche de la thermodynamique fonctionne comme une horloge. La thermodynamique nécessite, que l’énergie soit toujours conservée (la première loi) et quand elle va du chaud au froid, elle va jouer son rôle, limité par l’entropie (la seconde loi). Ces lois dictent de nombreuses choses de notre vie quotidienne allant de la consommation du litre au cent d’un moteur de voiture jusqu’à la batterie de votre téléphone. Cela permet aux physiciens de mieux comprendre les trous noirs et pourquoi le temps va toujours de l’avant et jamais en arrière.
L’approche macroscopique fonctionne, car elle considère la forêt plutôt que les arbres, mais cela soulève une question. Est-ce que la thermodynamique est valable à tous les niveaux ? Est-ce qu’elle fonctionnera toujours si on crée un moteur composé de 3 molécules comparé à nos moteurs grandeur nature composés de trillions de molécules ? Et si on regarde dans le royaume de l’infiniment petit de la mécanique quantique, la thermodynamique se maintient, mais elle n’est pas aussi rigide.
La thermodynamique concerne la dimension macroscopique selon Janet Anders, une physicienne théoricienne de l’univers d’Exeter en Angleterre. On n’a pas vraiment intégré la thermodynamique avec la mécanique quantique. Ces dernières décennies, les physiciens ont progressivement exploré le flux de la chaleur au niveau quantique en étant poussés par la possibilité de trouver des violations de la seconde loi de la thermodynamique. Jusqu’à présent, cette seconde loi a tenu bon. Mais de nouvelles techniques d’expérimentation permettent aux chercheurs d’explorer les fondations quantiques de la thermodynamique. Les scientifiques construisent des moteurs dont certains sont alimentés par un seul atome.
Même si les physiciens ne peuvent pas violer les lois thermodynamiques, des preuves récentes suggèrent qu’il y a des moyens de les faire plier légèrement en exploitant la manière dont l’intrication quantique réunit le destin de quelques particules. Les techniques, utilisées pour traiter l’information quantique, pourraient être pratiques pour obtenir de l’énergie supplémentaire de moteurs miniatures. Ces enseignements pourraient aider les scientifiques à construire des nanomachines qui collectent de la chaleur afin de l’utiliser pour délivrer des médicaments dans le corps ou pour aider à réduire la perte d’énergie de petits composants dans un ordinateur traditionnel.
Les moteurs quantiques
Toutes ces possibles applications futuristes vont dépendre de la compréhension des principes thermodynamiques au niveau microscopique. Et cela nous ramène aux statistiques selon Jonathan Oppenheim, un théoricien quantique de l’University College London. Si les trillions de molécules d’un moteur à vapeur étaient représentés par des pièces de monnaie, alors le résultat pile ou face serait un mélange homogène de pile et de face qui est l’équivalent de la température stable et de l’entropie maximale. C’est pourquoi un moteur à vapeur va toujours respecter les règles thermodynamiques. Mais si on joue à pile ou face sur trois mini-pièces dans un petit moteur quantique et que toutes les trois peuvent tomber sur face, donc si les molécules restent dans un seul compartiment plutôt que se mélanger, alors c’est une violation de la seconde loi de la thermodynamique.
Les expériences ont montré au fil des années que si la seconde loi de la thermodynamique est violée à des niveaux microscopiques, cette violation n’est pas drastique. L’année dernière, Oppenheim et ses collègues ont publié une analyse détaillée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences. Leurs résultats montrent que non seulement la seconde loi thermodynamique se maintient au niveau quantique, mais elle devient encore plus complexe dans certains cas.
Plutôt que d’analyser directement l’entropie, l’équipe d’Oppenheim a analysé la quantité d’énergie disponible pour qu’un système puisse fonctionner et c’est une quantité qu’on appelle l’énergie libre. Dans notre monde macroscopique, la quantité d’énergie libre dépend seulement de la température et de l’entropie du système. Mais en zoomant sur des collections de particules, les chercheurs ont découvert qu’ils devaient prendre en compte plusieurs types d’énergie libre. Chacune d’elle diminue au fil du temps. En d’autres termes, la seconde loi de la thermodynamique devient encore plus inviolable au niveau quantique.
Le démon de Maxwell, qui tente de violer la seconde loi de la thermodynamique en écartant les molécules rapides (en bleu) des plus lentes (en vert) pour éviter l’équilibre (sur la gauche), va échouer à chaque fois.
Les expériences récentes ont permis de comprendre que toute tentative pour contourner la seconde loi, à n’importe quel niveau, est vouée à l’échec. Le 31 décembre 2015 dans la revue Physical Review Letters, Jonne Koski de l’université Aalto en Finlande et ses collègues ont créé l’équivalent en laboratoire du démon du physicien James Clerk Maxwell en 1867. Maxwell s’est demandé si une entité microscopique hypothétique, qui traque des particules autour de conteneurs adjacents, pouvait séparer les particules rapides des plus lentes. Les actions du démon devaient minimiser l’entropie totale du système ce qui est une violation de la seconde loi et cela permet de créer une différence de température qu’on peut exploiter pour effectuer gratuitement la tâche.
L’équipe de Koski a construit un appareil démoniaque qui privait un circuit électronique de sa chaleur et donc de son entropie par la même occasion. Et le démon a fait son boulot : Un visiteur, qui observe l’expérience en laboratoire, penserait que le circuit violait effectivement la seconde loi de la thermodynamique. Mais les chercheurs ont noté que le démon a dû payer un prix pour sa transgression. Quand il a effectué sa tâche, le démon s’est réchauffé. L’entropie totale du circuit et du démon a augmenté ce qui est prédit par la seconde loi de la thermodynamique.
Le démon électronique de Koski a échoué à cause de sa dépendance sur l’information concernant des particules individuelles. La connexion entre l’information et la thermodynamique date de 1929. Quand le physicien Leo Szilard s’est plongé dans l’expérience de pensée de Maxwell et qu’il a dessiné un schéma pour exploiter l’information concernant les particules telles que leurs positions et leurs vélocités pour effectuer les tâches. Les travaux de Szilard ont démontré qu’en physique, l’information n’est pas simplement un genre d’action boursière ou la performance statistique d’un joueur de foot, c’est quelque chose de bien physique.
Plus de 3 décennies plus tard, le physicien Rolf Landauer chez IBM a montré que l’approche de Szilard possède un prix. Le démon de Maxwell peut capitaliser sur sa connaissance sur une particule selon Landauer, mais le démon doit utiliser l’énergie qu’il a obtenue quand il extrait l’information de sa mémoire limitée et qu’il tourne son attention vers la prochaine particule. L’effacement de l’information coute de l’énergie. C’est pourquoi le démon moderne dans le circuit électronique a échoué à violer la seconde loi de la thermodynamique.
L’information est importante pour comprendre la thermodynamique et elle est aussi essentielle pour donner du sens aux parties étranges de la mécanique quantique. Des petits morceaux de matière peuvent exister dans 2 places en même temps, un phénomène connu comme la superposition. Deux ou plus de particules peuvent être intriqués et cette intrication va affecter les propriétés des particules indépendamment de leur distance.
De nombreux physiciens tentent d’exploiter la superposition, l’intrication quantique et d’autres bricolages quantiques pour exécuter des tâches qui sont impossibles selon les lois de la physique classique. Les chercheurs prédisent des réseaux de communication ultra-sécurisés et des ordinateurs quantiques qui exploitent des photons ou des ions intriqués pour résoudre des problèmes complexes. Mais l’information est plus que d’échanger des 1 et des 0. Et les physiciens, qui réfléchissent sur l’informatique et la communication quantique, tournent leurs attentions vers la thermodynamique. Ils se demandent si des propriétés telles que l’intrication peuvent aussi offrir un avantage pour convertir la chaleur en travail.
Dans la revue Physical Review X d’octobre/décembre 2015, une équipe européenne a démontré qu’un système de plusieurs particules intriquées stocke plus d’énergie que les mêmes particules sans connexion quantique. L’avantage, qui disparait rapidement en augmentant le nombre de particules, réduit la notion que l’information est une ressource. Des particules intriquées fournissent essentiellement de l’information gratuite parce que le fait de connaitre quelque chose à propos d’une particule révèle aussi quelque chose sur sa partenaire intriquée. Même si la seconde loi de la thermodynamique se maintient selon le co-auteur de l’étude Marcus Huber, la capacité d’exploiter l’information à partir des effets quantiques vous permet de faire des choses qui sont impossibles en temps normal.
L’avantage de l’information
Le fait d’obtenir de l’information à bas prix permettrait à la technologie de faire plier la seconde loi et de créer des moteurs d’une efficacité qui surpasserait toutes les machines actuelles. Des frigos qui peuvent atteindre des températures très basses ou des batteries qui peuvent stocker plus d’énergie selon Huber, un théoricien quantique à l’université de Genève.
Huber compare ce défi au jeu de Carnot au 19e siècle. Carnot a principalement tourné des cadrans pour contrôler des variables telles que la température ou la pression jusqu’à ce qu’il obtienne l’efficacité maximale d’un moteur à vapeur. Les objectifs actuels des physiciens sont différents. Par exemple, ils veulent créer des frigos microscopiques pour refroidir leurs instruments à des températures inégalées. Pour atteindre ces objectifs, les physiciens veulent tourner des cadrans pour des variations telles que l’intrication et voir ce qui se passe.
Bientôt, les scientifiques pourront jouer à ces jeux avec des moteurs qui exploiteront les effets quantiques en laboratoire. Des chercheurs allemands ont fait le premier pas en octobre 2015 en construisant un moteur thermique composé d’un seul atome. Johannes Robnagel, un physicien quantique à l’université de Mainz et ses collègues ont construit un petit enclos en forme de cône autour d’un ion calcium. Après avoir utilisé un laser et un champ électrique pour chauffer l’ion d’un degré au dessus du zéro absolu, les chercheurs ont mesuré le travail exécuté par l’ion lorsqu’il a exercé une légère poussée vers le haut du cône.
Un moteur typique (gauche) utilise de l’énergie à partir de la chaleur pour alimenter une turbine. Un moteur minuscule permet de vibrer un seul atome (droite, points vers) et crée une petite quantité de travail.
Le moteur nanoscopique a fonctionné selon les prédictions de la thermodynamique. En ajustant le poids de l’ion, la puissance était comparable à un moteur de voiture selon Robnagel. Il est intéressant de voir que vous pouvez avoir des machines à vapeur avec un seul atome. Mais en dépit de la puissance mesurable de moteur à un seul ion, Robnagel averti qu’il faudra des décennies avant d’avoir des nano-moteurs commerciaux. Mais l’utilité de la thermodynamique quantique va émerger avec d’autres technologies. Certains chercheurs surveillent l’industrie des puces informatiques. Pour concevoir des ordinateurs plus rapides, les ingénieurs continuent de mettre de plus en plus de transistors dans les puces. Les transistors, dont certains ont une largeur d’une dizaine de nanomètres, tentent à fuiter des électrons et à surchauffer. Cette chaleur ruine l’efficacité énergétique de l’ordinateur et endommage les composants. La thermodynamique quantique pourrait aider à réduire le gaspillage de chaleur et permettre la création de composants encore plus compacts à l’intérieur de l’ordinateur.
La gestion de la chaleur est encore plus cruciale pour les physiciens qui veulent construire des ordinateurs quantiques. Un tel appareil doit fonctionner à des températures très basses pour exploiter les effets quantiques et surpasser les ordinateurs traditionnels. Pour leur prochaine étape, Robnagel et ses collègues prévoient de refroidir leur atome unique jusqu’à ce qu’il soit capable de maintenir un délicat état quantique qui inclut la superposition et l’intrication. Une telle expérience permettrait de tester les résultats théoriques d’Huber.
Certains anticonformistes dans la communauté des physiciens estiment que ce type d’expérience pourrait violer finalement la seconde sacro-sainte loi de la thermodynamique. Mais au début du 20e siècle, l’astrophysicien anglais Arthur Eddington nous a prévenus que n’importe quelle théorie, qui tenterait de défier la seconde loi de la thermodynamique, s’effondrerait dans une profonde humiliation. Mais il n’a rien dit à propos de repousser légèrement les limites de cette seconde loi.
