Des physiciens ont construit un moteur à partir d’un seul atome

À l'échelle microscopique, la chaleur est un phénomène caractérisé par l'agitation d'atomes qui vibrent les uns contre les autres.

Les moteurs thermiques, comme les turbines à valeur, exploitent les systèmes thermodynamiques pour convertir la chaleur en travail mécanique. Sans eux, la Révolution industrielle n'aurait probablement jamais eu lieu. D'ailleurs, nous les utilisons toujours ces moteurs aujourd'hui ; vous les connaissez probablement sous leurs formes les plus courantes : le moteur à combustion et le moteur à réaction.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut de physique de Université Johannes Gutenberg de Mayence et de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg ont mis à l'épreuve l'idée selon laquelle les moteurs thermiques posséderaient toujours une masse imposante. En effet, ils ont miniaturisé le concept de locomotive à l'extrême en créant un moteur thermique qui n'utilise qu'un seul atome.

Leurs recherches, décrites dans la dernière édition de la revue Science, montrent comment ils ont isolé un atome de calcium dans un piège à ions quadripolaire que l'on nomme usuellement « Piège de Paul. » Ce type de piège permet d'emprisonner une particule électriquement chargée à l'aide de deux électrodes positifs et de deux électrodes négatifs, en la poussant dans quatre directions opposées.

En utilisant du bruit généré de manière électrique, les physiciens ont réussi à chauffer la particule, la soumettant à un cycle thermodynamique. Elle s'est alors mise à vibrer dans le piège, comme un moteur thermique classique. Pour refroidir la particule, les chercheurs ont utilisé un faisceau laser.

Afin d'évaluer quelle quantité d'énergie le système pourrait produire s'il était modélisé à plus grande échelle, les physiciens ont effectué une série de tests thermodynamiques. Ils affirment « qu'un moteur à une seule particule pouvait générer 10-22 watts avec une efficacité de 0,3%. » Cela signifie qu'à plus large échelle, sa capacité serait équivalente à celle d'un moteur de voiture.

« En renversant le cycle thermodynamique, nous pourrions utiliser le système comme un réfrigérateur monoatomique et l'utiliser pour refroidir des nanosystèmes, » explique l'auteur Johannes Roßnagel.

En plus d'avoir créé un dispositif simple et innovant, les physiciens espèrent que leurs résultats permettront d'appuyer la recherche en thermodynamique quantique, actuellement en plein essor. Ils s'intéressent à l'utilisation de moteurs thermiques quantiques, qui pourraient décupler la puissance des moteurs actuels. Si leurs hypothèses se confirment, cela pourrait ouvrir la porte à l'invention de moyens de propulsion totalement nouveaux.