Stuttgarter Physiker rütteln an einem Prinzip der Thermodynamik

Forschende der Universität Stuttgart haben eine zentrale An­nah­me der Thermodynamik ins Wanken gebracht. In einer neu­en Ar­beit zeigen zwei Physiker, dass das seit 200 Jahren be­ste­hen­de Carnot-Prinzip auf der atomaren Ebene nicht un­ein­ge­schränkt gilt.

Die Sache mit den kleinen Teilchen

Bei dem Carnot-Prinzip handelt es sich um eine angenommene absolute Effizienzgrenze für Wärmekraftmaschinen. Dampf- oder Verbrennungsmotoren wandeln Wärme in mechanische Bewegung um. Ihre maximale Effizienz ist nach klassischer Lehre allein durch den Temperaturunterschied zwischen einer heißen und einer kalten Quelle begrenzt.

Diese Regel geht auf den französischen Physiker Sadi Carnot zurück und bildet einen Grundpfeiler des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Sie wurde jedoch für makroskopische Systeme entwickelt - nicht für winzige Maschinen im Bereich einzelner Atome.

Entscheidend ist dabei ein Effekt, der in klassischen Modellen keine Rolle spielt: die enge Kopplung und Korrelation von Teilchen im Quantenbereich. Genau dort setzt die Forschungsarbeit von Professor Eric Lutz und dem Postdoktoranden Milton Aguilar vom Institut für Theoretische Physik I an.

Mit einem mathematischen Beweis, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Science Advances, zeigen sie, dass das Carnot-Prinzip erweitert werden muss, wenn stark miteinander verbundene Teilchen betrachtet werden. In solchen quantenmechanischen Systemen entstehen sogenannte Quantenkorrelationen, die das Verhalten der Teilchen zusätzlich beeinflussen.


Diese Korrelationen können nach den neuen Berechnungen selbst als Ressource dienen. Atomare Wärmemaschinen sind demnach nicht nur in der Lage, Wärme in Arbeit umzuwandeln, sondern auch die in den Korrelationen gespeicherte Energie zu nutzen. Dadurch lässt sich mehr Arbeit gewinnen, als es die klassische Theorie erlaubt. Die Effizienz solcher Quantentriebwerke kann die traditionelle Carnot-Grenze daher überschreiten, ohne am Ende den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen.

Wichtige Grundlage

Die Ergebnisse haben weitreichende Bedeutung, sowohl für die Grundlagenforschung als auch für künftige Anwendungen. Winzige Motoren in atomarer Größenordnung rücken damit in den Bereich des Möglichen. Ein besseres Verständnis der physikalischen Gesetze auf kleinster Skala könnte die Entwicklung extrem effizienter Quantentechnologien beschleunigen.

Langfristig könnten solche Nanomotoren etwa in der Medizin eingesetzt werden, um gezielt Prozesse im Körper zu steuern, oder in der Materialforschung, um Strukturen Atom für Atom zu manipulieren. Die Studie aus Stuttgart zeigt eindrucksvoll, dass selbst scheinbar unumstößliche Naturgesetze neue Facetten offenbaren, sobald man sie im Licht der Quantenphysik betrachtet.


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