Un nuovo studio scientifico accettato per la pubblicazione sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters (American Physical Society) dimostra che un sistema quantistico può assorbire calore anche quando inizialmente è più caldo dell’ambiente con cui interagisce, un fenomeno che prende il nome di “flusso anomalo di calore”. Ancora più sorprendentemente, questo effetto viene utilizzato per progettare e simulare sperimentalmente un motore Otto quantistico capace di produrre lavoro utile e, allo stesso tempo, funzionare come un frigorifero. Lo studio vede coinvolti il dott. Enrico Russo, assegnista di ricerca, e il prof. Rosario Lo Franco del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Palermo, in collaborazione con il prof. Giulio Chiribella della Hong Kong University e con il gruppo teorico-sperimentale guidato dal prof. Zhong-Xiao Man (Qufu University, Cina). «Il calore scorre normalmente dagli oggetti caldi verso quelli freddi.

È una delle regole più familiari della natura: il caffè si raffredda, il ghiaccio si scioglie e i motori funzionano sfruttando differenze di temperatura – spiegano i ricercatori – Questo studio mostra che, nel mondo quantistico, il calore può comportarsi in modo molto meno intuitivo. L’ingrediente chiave è una proprietà quantistica chiamata ordine causale indefinito. Nella vita quotidiana, gli eventi avvengono secondo una sequenza ben definita: prima A e poi B, oppure prima B e poi A. In fisica quantistica, invece, è possibile realizzare situazioni in cui due ordini alternativi vengono posti in sovrapposizione coerente. Nel cosiddetto quantum switch, un sistema può sperimentare due processi in un ordine che non è stabilito in anticipo. Nel nuovo lavoro, il team ha studiato cosa accade quando questi due processi sono termalizzazioni, cioè interazioni che normalmente porterebbero un sistema in equilibrio con una sorgente di calore». «L’aspetto sorprendente è che la direzione dello scambio di calore non è determinata soltanto dalle temperature – sottolinea Zhong-Xiao Man – Quando l’ordine di due processi di termalizzazione viene controllato in modo coerente, un sistema quantistico può mostrare flussi di calore impossibili in una descrizione classica ordinaria». I ricercatori hanno trovato che il quantum switch può invertire, in condizioni opportune, la direzione usuale dello scambio di calore. Un sistema più caldo della sorgente può comunque assorbire calore da essa, mentre un sistema più freddo può cedere calore a un ambiente più caldo. Questo non viola il secondo principio della termodinamica: l’effetto richiede coerenza quantistica, una risorsa fragile associata al sistema di controllo che determina l’ordine dei processi. In altre parole, il flusso “controcorrente” del calore ha un costo, pagato sotto forma di una risorsa genuinamente quantistica. Il passo successivo è stato trasformare questo flusso anomalo di calore nel principio di funzionamento di una macchina termica quantistica. Il ciclo proposto è una versione quantistica del motore Otto, il ciclo termodinamico alla base di molti motori ordinari. A differenza di un motore standard, però, questa macchina quantistica può generare lavoro e contemporaneamente estrarre calore da una sorgente fredda, combinando nello stesso ciclo il comportamento di un motore e quello di un frigorifero. Un risultato particolarmente importante riguarda l’origine dell’effetto. Il team ha dimostrato che queste proprietà termodinamiche non convenzionali non sono esclusive dell’ordine causale indefinito.