Un nuevo modelo teórico demuestra que las correlaciones cuánticas pueden aumentar la eficiencia de los motores microscópicos más allá del límite clásico de Carnot, abriendo paso a un nuevo tipo de máquinas energéticas.
Fuente: ChatGPT
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico
muyinteresante.okdiario.com/24.01.2026
Un motor que cabe en un solo átomo acaba de poner en duda uno de los principios más sólidos de la física. Un nuevo estudio muestra que ciertas máquinas térmicas cuánticas pueden superar el famoso límite de eficiencia de Carnot, una barrera que durante dos siglos se consideró infranqueable. No se trata de una violación de la ley, sino de una extensión necesaria: cuando entran en juego las reglas del mundo cuántico, las normas de la termodinámica clásica ya no bastan.
Este hallazgo, desarrollado por el físico Eric Lutz y el investigador Milton Aguilar en la Universidad de Stuttgart, propone un cambio profundo en la forma de entender cómo funciona la energía a escala microscópica. En su artículo publicado en Science Advances, los autores derivan nuevas fórmulas que permiten que las máquinas térmicas extraigan energía no solo del calor, sino también de las correlaciones cuánticas que se generan entre las partículas. Estas correlaciones, imposibles en el mundo macroscópico, permiten un rendimiento más alto del que predice la física tradicional.
La ley de Carnot ya no es intocable
En 1824, el físico francés Sadi Carnot formuló una ley que marcaría un antes y un después en la ciencia: ningún motor térmico puede ser más eficiente que uno ideal que opera entre dos temperaturas dadas. Esta afirmación se convirtió en la piedra angular de la segunda ley de la termodinámica. Desde entonces, la eficiencia de todas las máquinas ha estado acotada por esa fórmula.
Pero las condiciones que Carnot asumió ya no se cumplen en los sistemas cuánticos actuales. En estos entornos, donde las máquinas pueden estar compuestas por unas pocas partículas o incluso por un solo átomo, aparecen efectos que la teoría clásica no contempla. Entre ellos, destacan las correlaciones cuánticas: conexiones invisibles que permiten que las partes de un sistema estén entrelazadas, incluso a distancia, y que influyen de manera decisiva en la transferencia de energía.
Según Aguilar y Lutz, la eficiencia de estas nuevas máquinas no se limita solo por la diferencia de temperatura entre los focos térmicos. Su modelo matemático demuestra que, cuando existen correlaciones previas entre el sistema y los baños térmicos, se pueden extraer recursos entrópicos que aumentan la producción de trabajo. Es decir, la eficiencia puede superar el límite de Carnot sin violar ninguna ley física, simplemente porque las condiciones han cambiado.
Representación gráfica de cuándo un motor cuántico funciona con calor o con recursos cuánticos ocultos. Fuente: Science AdvancesCorrelaciones cuánticas: un nuevo tipo de combustible
En un motor clásico, el trabajo se genera por el flujo de calor desde una fuente caliente hacia una fría. Pero en el modelo propuesto, parte del trabajo también proviene de las correlaciones que existen entre el sistema y sus entornos térmicos. Esas correlaciones, que incluyen tanto enlaces clásicos como entrelazamientos cuánticos, actúan como una fuente adicional de energía útil.
En palabras del artículo original, "estas máquinas pueden generar trabajo a partir de recursos entrópicos, como las correlaciones sistema-baño". Esta idea da lugar a lo que los autores denominan modo de operación atérmico, en el que el calor deja de ser la única fuente de energía y se suma una nueva vía: la extracción de trabajo a partir del orden cuántico existente en el sistema.
Lo más sorprendente es que este tipo de recursos pueden surgir de manera natural al enfriar los sistemas. En ciertos rangos de temperatura, incluso sin una interacción fuerte, el sistema puede quedar correlacionado con su entornosimplemente por haber pasado por un proceso de termalización. Esta propiedad convierte a las correlaciones cuánticas en una especie de combustible oculto, presente solo a escalas microscópicas.
Mapa de funcionamiento del motor cuántico de dos osciladores: térmico o atérmico según la temperatura y el acoplamiento. Fuente: Science Advances
Una nueva eficiencia que va más allá del límite clásico
Los autores desarrollan una nueva fórmula general para calcular la eficiencia de motores cuánticos con correlaciones, que toma en cuenta no solo el calor absorbido, sino también los cambios de energía internos y el estado de correlación inicial del sistema. En este contexto, la eficiencia deja de estar limitada por el clásico ηC=1−Tc/ThηC=1−Tc/Th y pasa a incluir un término adicional asociado a la entropía no clásica.
En el paper se explica que “la eficiencia puede superar el límite de Carnot si existen recursos entrópicos al comienzo del ciclo”. Es decir, si el sistema arranca con ciertas correlaciones que luego se reducen, se puede extraer trabajo adicional que no proviene del calor, sino del propio orden interno. Esto no contradice la segunda ley de la termodinámica, sino que la extiende a escenarios donde sus hipótesis originales no se cumplen.
Este resultado es especialmente relevante para el diseño de motores a escala nanométrica, donde las fluctuaciones térmicas, los efectos cuánticos y las correlaciones son imposibles de ignorar. Los motores clásicos están pensados para grandes sistemas no correlacionados, pero cuando se reduce el tamaño, el mundo cuántico exige nuevas reglas.
El motor de dos osciladores: una prueba de concepto
Para ilustrar su propuesta, los autores analizan el comportamiento de un motor cuántico formado por dos osciladores armónicos, cada uno acoplado a un baño térmico con diferente temperatura. El sistema se activa al conectar y desconectar periódicamente la interacción entre los osciladores, lo que permite extraer trabajo.
En ciertas condiciones, el motor opera en un régimen atérmico, donde el trabajo producido es mayor que el calor absorbido. En ese caso, la eficiencia observada supera la eficiencia de Carnot, y la fuente adicional de trabajo proviene de las correlaciones generadas durante el proceso de termalización.
El estudio muestra además que el 87 % del espacio de parámetros explorado conduce a este régimen atérmico, lo que sugiere que no se trata de un fenómeno marginal, sino de una característica general de muchos motores cuánticos posibles. En estos escenarios, la eficiencia solo puede entenderse usando las nuevas leyes formuladas por los autores.
Lo más interesante es que este régimen no dura indefinidamente: a medida que se producen nuevas correlaciones y se disipan otras, la entropía no equilibrada tiende a incrementarse, y el motor vuelve a operar en el régimen clásico. Sin embargo, existen estrategias —como los atajos hacia la adiabaticidad— que podrían extender la duración del régimen atérmico y aumentar el rendimiento global del motor.
Más allá del calor: un nuevo horizonte tecnológico
El descubrimiento de que las correlaciones cuánticas pueden alimentar motores no solo desafía nuestras ideas sobre la eficiencia, sino que abre la puerta a nuevas aplicaciones tecnológicas. Motores cuánticos ultraeficientes podrían ser clave para la futura generación de nanorobots, sensores de precisión y dispositivos de computación cuántica.
Al operar en la frontera entre energía, información y correlaciones, estos motores ofrecen una vía inédita para aprovechar recursos antes considerados irrelevantes. Si se logra controlar y reutilizar estas correlaciones, podríamos estar ante un nuevo paradigma de conversión energética, adaptado a las escalas más pequeñas y complejas del universo.
Los autores concluyen que “estos recursos entrópicos pueden aparecer de manera natural en motores microscópicos” y que su presencia debería ser tenida en cuenta al diseñar y optimizar futuras máquinas a escala cuántica.
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Referencias
Thiry, Médard y Milnes, Anthony. 2024. Reports Engineered ‘landmarks’ associated with Late Paleolithic engraved shelters. Journal of Archaeological Science: Reports, 55: 1-25. DOI: 10.1016/j.jasrep.2024.104490.
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