De theorie van de thermodynamica, vaak geassocieerd met de stoommachines van de 19e eeuw, is een universele reeks wetten die alles regelt, van zwarte gaten tot de evolutie van het leven. Maar met moderne technologieën die circuits miniaturiseren tot op atomaire schaal, thermodynamica moet op een geheel nieuwe manier op de proef worden gesteld. In dit rijk, kwantum in plaats van klassieke wetten zijn van toepassing. Op dezelfde manier dat thermodynamica de sleutel was tot het bouwen van klassieke stoommachines, de opkomst van kwantumcircuits dwingt ons om deze theorie opnieuw te bedenken in het kwantumgeval.

Kwantumthermodynamica is een snel evoluerend veld van de natuurkunde, maar de theoretische ontwikkeling loopt ver vooruit op experimentele implementaties. Snelle doorbraken in de fabricage en meting van apparaten op nanoschaal bieden ons nu de mogelijkheid om deze nieuwe fysica in het laboratorium te verkennen.

Hoewel experimenten nu binnen handbereik zijn, ze blijven uiterst uitdagend vanwege de verfijning van de apparaten die nodig zijn om de werking van een warmtemotor na te bootsen, en vanwege de hoge controle- en meetgevoeligheid die vereist zijn. De groep van Dr. Ares zal apparaten fabriceren op nanometerschaal, slechts een dozijn atomen breed, en houd ze bij temperaturen die veel kouder zijn dan zelfs de diepste ruimte.

Deze motoren op nanoschaal zullen toegang geven tot voorheen ontoegankelijke tests van kwantumthermodynamica en ze zullen een platform zijn om de efficiëntie en kracht van kwantummotoren te bestuderen, de weg vrijmaken voor quantum nanomachines. Dr. Ares' zal motoren bouwen waarin de "stoom" een of twee elektronen is, en de zuiger is een klein halfgeleiderdraadje in de vorm van een koolstofnanobuisje. Ze verwacht dat het verkennen van dit nieuwe terrein een even grote fundamentele impact zal hebben op hoe we over machines denken als eerdere studies in het klassieke regime hebben gehad.

De belangrijkste vraag die Dr. Natalia Ares' onlangs bekroonde European Research Council (ERC-project) probeert te beantwoorden, is:wat is de efficiëntie van een motor waarin fluctuaties belangrijk zijn en kwantumeffecten kunnen optreden? De implicaties van het beantwoorden van deze vraag zijn verstrekkend en kunnen bijvoorbeeld de studie van biomotoren of het ontwerp van efficiënte on-chip nanomachines informeren. Dit onderzoek zou ook unieke gedragingen kunnen blootleggen die de weg vrijmaken voor nieuwe technologieën zoals nieuwe on-chip koeling en detectietechnieken of innovatieve manieren om energie te oogsten en op te slaan. Door gebruik te maken van fluctuaties, de vereisten om kwantumgedrag te behouden, kunnen minder veeleisend worden.

De bevindingen van Dr. Ares zullen worden toegepast in zowel klassieke als kwantumcomputers. Op dezelfde manier waarop het experiment van Joule aantoonde dat beweging en warmte onderling uitwisselbaar waren, Dr. Ares wil de beweging van een koolstofnanobuis in verband brengen met de warmte en het werk van enkele elektronen. Ze is enthousiast om apparaten met unieke mogelijkheden te gebruiken om de singulariteiten van kwantumthermodynamica te ontdekken.