Depuis deux siècles, le principe de Carnot, encore appelé second principe de la thermodynamique, pose une limite simple : toute transformation d’énergie s’accompagne d’une augmentation de l’entropie, c’est-à-dire du désordre global du système. Cela signifie qu’en pratique, aucune machine ne peut convertir toute la chaleur en travail utile, car une partie est toujours perdue sous forme d’énergie dissipée. Une règle d’or, gravée dans les équations… jusqu’à aujourd’hui. Une équipe de physiciens allemands vient de démontrer qu’à l’échelle quantique, ce principe ne tient plus. Eric Lutz, professeur à l’Université de Stuttgart, et Milton Aguilar, chercheur postdoctoral, ont formulé une version étendue de cette loi et ont ainsi prouvé que des moteurs thermiques atomiques pourraient dépasser les rendements classiques en utilisant une propriété invisible à l’œil nu : les corrélations quantiques.
Une étude qui remet en cause la deuxième loi de la thermodynamique lorsqu’on évolue au niveau quantique. Sadi Carnot réfléchissait aux machines à vapeur. Des turbines, des pistons, du métal chauffé, refroidi, compressé. Il s’agissait de systèmes massifs, obéissant à des lois prévisibles. Lutz et Aguilar, eux, ont mis les mains dans un univers où les particules dansent à l’unisson, liées par des phénomènes étranges que la physique classique ne peut pas expliquer. Dans leur étude, publiée dans Science Advances, ils montrent que les moteurs composés de quelques particules corrélées peuvent extraire de l’énergie non seulement de la chaleur, mais aussi des corrélations elles-mêmes.
Et c’est là où cela devient intéressant pour nous, car d’après l’étude ces “machines thermiques corrélées” seraient en mesure de convertir davantage d’énergie en travail que ce que permettrait un moteur classique ! C’est un peu comme découvrir que les règles du rugby changent… quand on joue à un contre un, sur une table de billard. Le terrain n’est plus le même, et les lois macroscopiques s’effacent devant des logiques invisibles. Ce que Lutz et Aguilar ouvrent comme perspective, c’est une nouvelle génération de machines thermiques, non plus faites d’engrenages et de soupapes, mais de molécules corrélées ou d’ions piégés. Ces moteurs quantiques, invisibles à l’œil nu, pourraient transformer la chaleur ambiante en énergie utilisable à des échelles nanométriques. Un moteur plus petit qu’un globule rouge, capable d’alimenter un nanobot chirurgical, de manipuler des molécules, ou de traiter des matériaux atome par atome ?
L’enjeu va au-delà du rendement. Ces moteurs quantiques pourraient opérer sans combustion, sans pertes mécaniques, sans frottement. Leur rendement théorique pourrait dépasser ainsi celui des moteurs à cycle de Carnot, simplement en exploitant la structure d’information de l’état quantique initial. Les implications sont profondes. À terme, on pourrait concevoir des circuits intégrés thermiques à l’échelle atomique, ou des moteurs qui tirent parti des fluctuations quantiques, dans des environnements où aucune machine classique ne survivrait. Il est important de le souligner : la deuxième loi de la thermodynamique reste valide. Ce que Lutz et Aguilar démontrent, c’est qu’elle doit être reformulée dès qu’on descend à l’échelle quantique, comme on l’a déjà fait pour la mécanique ou l’électromagnétisme.
Science Advances : https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw8462
