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Quantum mechanics trumps the second law of thermodynamics at the atomic scale Two physicists at the University of Stuttgart ha

L'essentiel

La mécanique quantique l'emporte sur la deuxième loi de la thermodynamique à l'échelle atomique

par Lena Jauernig, Université de Stuttgart

édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan

Notes des éditeurs

Moteur quantique à deux oscillateurs. Crédit : Science Advances (2025). DOI : 10.1126/sciadv.adw8462

Deux physiciens de l'Université de Stuttgart ont prouvé que le principe de Carnot, une loi fondamentale de la thermodynamique, ne s'applique pas aux objets à l'échelle atomique dont les propriétés physiques sont liées (objets dits corrélés). Cette découverte pourrait, par exemple, faire progresser le développement de minuscules moteurs quantiques économes en énergie. La démonstration a été publiée dans la revue Science Advances.

Les moteurs à combustion interne et les turbines à vapeur sont des moteurs thermiques : ils convertissent l'énergie thermique en mouvement mécanique, ou, en d'autres termes, la chaleur en mouvement. Ces dernières années, des expériences de mécanique quantique ont permis de réduire la taille des moteurs thermiques à l'échelle microscopique.

« De minuscules moteurs, pas plus grands qu'un seul atome, pourraient devenir une réalité à l'avenir », déclare le professeur Eric Lutz de l'Institut de physique théorique I de l'Université de Stuttgart. « Il est désormais également évident que ces moteurs peuvent atteindre un rendement maximal supérieur à celui des moteurs thermiques plus grands. »

Le professeur Lutz et le Dr Milton Aguilar, chercheur postdoctoral à l'Institut de physique théorique I, expliquent les raisons de ce phénomène dans leur article. Dans cet entretien, les deux scientifiques résument leur découverte.

Qu'avez-vous découvert exactement ?

Il y a près de 200 ans, le physicien français Sadi Carnot a déterminé le rendement maximal des moteurs thermiques. Le principe de Carnot, la deuxième loi de la thermodynamique, a été développé pour les grands objets macroscopiques. Cela s'applique aux turbines à vapeur, par exemple. Cependant, nous avons maintenant pu prouver que le principe de Carnot doit être étendu pour décrire les objets à l'échelle atomique, par exemple les moteurs moléculaires fortement corrélés.

Pourquoi ?

Carnot a démontré que la différence de température a une influence décisive : plus la différence entre le chaud et le froid est grande, plus le rendement maximal possible d'un moteur thermique est élevé. Cependant, le principe de Carnot néglige l'influence des corrélations quantiques. Ce sont des liaisons spéciales qui se forment entre les particules à très petite échelle.

Pour la première fois, nous avons dérivé des lois généralisées de la thermodynamique qui tiennent pleinement compte de ces corrélations. Nos résultats montrent que les machines thermiques fonctionnant à l'échelle atomique peuvent convertir non seulement la chaleur, mais aussi les corrélations en travail. Par conséquent, elles peuvent produire davantage de travail, et l'efficacité d'un moteur quantique peut dépasser la limite de Carnot classique.

Quelles perspectives ouvre votre recherche fondamentale ?

Nos travaux approfondissent notre connaissance du monde à l'échelle atomique. Mieux nous comprenons les lois physiques qui s'appliquent à ces dimensions, plus vite nous serons en mesure de les utiliser pour développer les technologies de demain, telles que de minuscules moteurs quantiques ultra-efficaces capables d'effectuer des tâches avec précision à l'échelle nanométrique. Peut-être qu'un jour, de tels moteurs alimenteront des nanorobots médicaux ou contrôleront des machines qui traitent des matériaux au niveau atomique ? Le potentiel est extrêmement vaste.

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RESUME 

La mécanique quantique l'emporte sur le deuxième principe de la thermodynamique à l'échelle atomique

Deux physiciens de l'Université de Stuttgart ont prouvé que le principe de Carnot, une loi fondamentale de la thermodynamique, ne s'applique pas aux objets à l'échelle atomique dont les propriétés physiques sont liées (objets dits corrélés). Cette découverte pourrait, par exemple, faire progresser le développement de minuscules moteurs quantiques économes en énergie. Cette démonstration a été publiée dans la revue Science Advances.

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COMMENTAIRES

Depuis ce matin les journaux et les radios ne parlent que de cela ;le principe de Carnot  ils savent le contourner  a l echelle quantique   !!!

Pour mes élèves 

La belle affaire  que ces micromoteurs quantiques !  A  l 'échelle de l humain    le principe de Carnot  reste incontournable  !!

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More information: Christian Pfeifer et al, From kinetic gases to an exponentially expanding universe—the Finsler-Friedmann equation, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). DOI: 10.1088/1475-7516/2025/10/050. On arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2504.08062

Journal information: arXiv 

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