Investigadores de la UGR diseñan un motor que aprovecha las propiedades cuánticas de la luz

Un equipo de físicos teóricos de la Universidad de Granada (UGR) ha desarrollado un modelo de motor cuántico capaz de generar trabajo mecánico utilizando exclusivamente propiedades no clásicas de la luz. El estudio, publicado en la revista científica Physical Review E, propone un enfoque innovador que desafía uno de los pilares de la termodinámica clásica: la necesidad de una diferencia de temperatura para producir trabajo.

En la física tradicional, cualquier motor (desde un coche hasta una turbina) requiere un foco caliente y otro frío para transformar calor en energía mecánica. Sin embargo, en el ámbito cuántico existen recursos que no tienen equivalente en el mundo clásico. Uno de ellos es el squeezing o “luz exprimida”, un estado cuántico en el que las fluctuaciones del campo electromagnético se redistribuyen de forma asimétrica, conforme al principio de incertidumbre de Heisenberg.

El equipo de la UGR, integrado por Álvaro Tejero, Daniel Manzano y Pablo I. Hurtado, pertenecientes al Grupo de Termodinámica y Computación Cuántica y al Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional, ha demostrado que este estado especial de la luz puede convertirse directamente en trabajo mecánico aprovechable.

El mecanismo propuesto se basa en la presión de radiación que ejerce la luz sobre un elemento optomecánico móvil, como puede ser un espejo microscópico dentro de una cavidad óptica. Esa presión puede desplazar el espejo y generar trabajo mecánico, incluso cuando todo el sistema se mantiene a temperatura constante.

Uno de los avances clave del estudio es conceptual. La definición estándar de trabajo en termodinámica cuántica, formulada a finales de los años setenta por Spohn y Alicki, no describe correctamente el trabajo mecánico extraíble cuando intervienen estados no clásicos. Según explican los investigadores, parte de la energía que esa definición considera “trabajo” en realidad se emplea en mantener el carácter cuántico del estado de la luz, mediante procesos internos que no son convertibles en energía mecánica.

Por ello, el equipo propone utilizar como referencia el trabajo de expansión por presión de radiación, una magnitud físicamente observable que permite identificar con claridad lo que denominan trabajo no clásico: aquel que solo existe gracias a propiedades genuinamente cuánticas y que desaparece en el límite clásico.

A partir de este marco teórico, los investigadores diseñan un motor cuántico tipo Otto impulsado por squeezing. A diferencia de los motores térmicos convencionales, este dispositivo no necesita un gradiente de temperatura. El ciclo consta de cuatro fases: dos de compresión y expansión, donde se extrae trabajo neto, y otras dos en las que el sistema intercambia energía con focos a la misma temperatura pero con distinto grado de squeezing. Es precisamente esa diferencia en el estado cuántico, y no la temperatura, la que alimenta el motor.

Las simulaciones numéricas confirman que el sistema es coherente con las leyes de la termodinámica y produce trabajo de forma estable. Además, revelan un resultado llamativo: aunque el trabajo extraído suele aumentar al disminuir la temperatura, existe un valor óptimo no nulo en el que la producción de trabajo es máxima, fruto de la interacción entre efectos térmicos y cuánticos.

Más allá del interés teórico, el estudio abre la puerta a futuras aplicaciones experimentales. Los niveles de squeezing necesarios para observar estos efectos ya están al alcance de tecnologías actuales, como las cavidades ópticas utilizadas en detectores de ondas gravitacionales como LIGO o los circuitos superconductores de microondas.

Según los autores, el trabajo ofrece un marco sólido para identificar y medir trabajo no clásico en experimentos reales. El hallazgo sugiere que recursos puramente cuánticos pueden transformarse directamente en energía mecánica, ampliando los límites conocidos de la termodinámica a escala microscópica y aportando nuevas perspectivas en el desarrollo de tecnologías cuánticas.