El descubrimiento español que puede revolucionar la mecánica y la energía

Científicos españoles han logrado demostrar que un motor cuántico es capaz de realizar un movimiento mecánico en el mundo físico, moviendo un pistón utilizando un único átomo. Aunque es un trabajo teórico, el estudio publicado en el diario científico Physical Review E demuestra por primera vez que la radiación se puede convertir en movimiento real utilizando principios cuánticos, algo que en el futuro puede revolucionar la mecánica, la propulsión y el aprovechamiento de la energía.

Para entender el alcance potencial de este descubrimiento, imagina un mundo en el que nuestra comprensión convencional del calor y el trabajo típico del rugido de los motores de los coches de combustión interna y el zumbido de la maquinaria, son reemplazados por una delicada danza de partículas atómicas y subatómicas. Esa es la razón por la que los motores cuánticos han fascinado a los físicos durante mucho tiempo.

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Tradicionalmente, los motores convencionales convierten el calor en trabajo mecánico que mueve todo, desde un ciclomotor hasta las turbinas de un barco mercante. El motor cuántico que propone el equipo de científicos de la universidad de Granada ha conseguido demostrar que un solo átomo dentro de una cavidad nanofotónica —grosso modo, una ‘caja’ minúscula forrada de espejos— puede mover un pistón igual que lo hace el calor producido por una explosión, pero de forma extremadamente eficiente.

Estos motores cuánticos han sido más construcciones teóricas que máquinas prácticas, como me explica Daniel Manzano —uno de los autores del estudio— por correo electrónico: “Experimentos que acoplan radiación y movimiento ya había, lo único es que se enfocaban en movimientos oscilantes y no estaban pensado para generar un desplazamiento. Por otro lado hay también experimentos de motores, pero en los que el ‘trabajo’ era una magnitud puramente matemática que no generaba un desplazamiento real.” Según Manzano, el equipo español ha combinado estos dos tipos de experimentos “para ver cómo transformar la energía de los sistemas cuánticos en un desplazamiento real que se podría usar en un motor real”.

Cómo funciona

El motor funciona por la presión de la radiación, un concepto que suena a ciencia ficción. La presión, ejercida por los fotones —las partículas fundamentales de la luz— dentro de la cavidad reflectante es capaz de mover un pistón físico como el de un motor de explosión. Esta radiación sería similar a la explosión del combustible que resulta en el gas. Pero en vez de gas, aquí es la radiación la que empuja suave pero persistentemente contra una superficie y hace que se mueva.

El motor funciona por el átomo que absorbe y emite radiación, que luego se acumula dentro de la cavidad, ejerciendo presión sobre el pistón. El proceso se puede iniciar calentando el átomo o la propia cavidad, lo que conduce a la emisión de radiación. Es un delicado equilibrio de absorción y emisión de energía, que tiene lugar en escalas mucho más pequeñas de lo que el ojo puede ver.

Más allá de la escala atómica

Uno de los aspectos más intrigantes de este motor cuántico es su potencial para escalar del reino de los átomos a los sistemas más grandes. Como me cuenta Manzano, "la base del motor es convertir energía de un sistema cuántico a uno clásico (a un desplazamiento). No tiene límite de escala." Es decir, que convertir la energía cuántica en movimiento mecánico clásico no tiene ninguna limitación de tamaño inherente.

Esta escalabilidad abre un potencial revolucionario donde la energía se aprovecharía como nunca se ha hecho hasta ahora, alimentando desde dispositivos microscópicos hasta maquinaria más grande.

Manzano apunta que, de realizarse experimentalmente ahora mismo, la tecnología tendría utilidades como mover maquinaria a una escala nanométrica, como microrobots o dispositivos médicos. Además, asegura el estudio, el motor también podría funcionar a la inversa como un refrigerador microscópico, ofreciendo nuevas formas de gestionar el calor en pequeños componentes electrónicos o sistemas de computación cuántica.

“En el futuro nuestra idea es que pueda contribuir al ahorro de energía y ayudar en la crisis climática”, dice Mazanco, que señala que esto no lo comentan en su artículo “porque es a muy largo plazo”. Según él, están investigando actualmente “cómo los efectos puramente cuánticos afectan al rendimiento de la extracción de energía de modo que esperamos poder hacer esta más eficiente”.

Las posibles aplicaciones de los motores cuánticos se extienden a varias industrias. En la industria aeroespacial, por ejemplo, los principios de la mecánica cuántica podrían conducir a sistemas de propulsión más eficientes, mientras que en el campo médico, podrían alimentar dispositivos que operan a escalas que hasta ahora pertenecían al reino de la ciencia ficción.