Termodynamikens teori, vanligtvis förknippad med ångmaskinerna på 1800-talet, är en universell uppsättning lagar som styr allt från svarta hål till livets utveckling. Men med modern teknik miniatyrisera kretsar till atomär skala, termodynamiken måste sättas på prov i ett helt nytt område. I detta rike, kvantlagar snarare än klassiska lagar gäller. På samma sätt som termodynamiken var nyckeln till att bygga klassiska ångmaskiner, uppkomsten av kvantkretsar tvingar oss att ombilda denna teori i kvantfallet.

Kvanttermodynamik är ett snabbt växande fysikfält, men dess teoretiska utveckling ligger långt före experimentella implementeringar. Snabba genombrott inom tillverkning och mätning av enheter i nanoskala ger oss nu möjligheten att utforska denna nya fysik i laboratoriet.

Även om experiment nu är inom räckhåll, de förblir extremt utmanande på grund av de sofistikerade enheterna som behövs för att replikera driften av en värmemotor, och på grund av den höga kontroll- och mätkänslighet som krävs. Dr Ares grupp kommer att tillverka enheter i nanometerskala, bara ett dussin atomer över, och hålla dem vid temperaturer som är mycket kallare än till och med de djupaste yttre rymden.

Dessa nanoskalamotorer kommer att ge tillgång till tidigare otillgängliga tester av kvanttermodynamik och de kommer att vara en plattform för att studera effektiviteten och kraften hos kvantmotorer, banar väg för kvantnanomaskiner. Dr Ares kommer att bygga motorer där "ångan" är en eller två elektroner, och kolven är en liten halvledartråd i form av ett kolnanorör. Hon förväntar sig att utforskandet av detta nya territorium kommer att ha en lika stor grundläggande inverkan på hur vi tänker på maskiner som tidigare studier inom den klassiska regimen har haft.

Huvudfrågan som Dr. Natalia Ares nyligen tilldelade European Research Council (ERC-projekt) försöker svara på är:vad är effektiviteten hos en motor där fluktuationer är viktiga och kvanteffekter kan uppstå? Implikationerna av att besvara denna fråga är långtgående och kan till exempel informera studien av biomotorer eller designen av effektiva on-chip nanomaskiner. Den här forskningen kan också avslöja unika beteenden som öppnar vägen för ny teknik som nya kyl- och avkänningstekniker på chip eller innovativa sätt att skörda och lagra energi. Genom att utnyttja fluktuationer, Kraven på att bevara kvantbeteende kan bli mindre krävande.

Dr. Ares resultat kommer att ha tillämpningar i både klassisk och kvantberäkning. På samma sätt som Joules experiment visade att rörelse och värme var ömsesidigt utbytbara, Dr Ares syftar till att koppla samman rörelsen hos ett kolnanorör med värmen och arbetet som produceras av enstaka elektroner. Hon är glad över att kunna utnyttja enheter med unika möjligheter för att upptäcka särdragen hos kvanttermodynamiken.