نظرية الديناميكا الحرارية المرتبطة عادة بالمحركات البخارية في القرن التاسع عشر، هي مجموعة عالمية من القوانين التي تحكم كل شيء، من الثقوب السوداء إلى تطور الحياة. ولكن مع التقدم التكنولوجي الذي وجه اهتمامنا إلى النطاق الذري، يجب وضع الديناميكا الحرارية على منصة الاختبار في عالم جديد تمامًا. في هذه الأبعاد، تحكم قوانين الفيزياء الكمية بدلا من قوانين الفيزياء الكلاسيكية. بنفس الطريقة التي كانت فيها الديناميكا الحرارية مفتاحًا لبناء المحركات البخارية الكلاسيكية، فإن ظهور دوائر الكم يجبرنا على إعادة تصور هذه النظرية في الحالة الكمومية.
ديناميكا الكم الحرارية هو حقل سريع التقدم في الفيزياء، إلا أن تطورها النظري أسرع تقدمًا بكثير من تطبيقاتها التجريبية. إن الانجازات السريعة في تصنيع وقياس أجهزة على الأبعاد النانومترية تتيح لنا الآن الفرصة لاستكشاف هذه الفيزياء الجديدة في المخابر.
في حين أن التجارب الآن هي في متناول اليد، فإنها لا تزال صعبة للغاية بسبب الحاجة لتطوير الأجهزة اللازمة لإعادة تشغيل المحرك الحراري، وبسبب الحساسية عالية المستوى اللازمة للتحكم والقياس، ستقوم مجموعة الدكتور أريس بتصنيع الأجهزة اللازمة على المقاييس النانومترية، بأبعاد مجرد بضع ذرات، والاحتفاظ بها في درجات حرارة أكثر برودة بكثير من أعمق أعماق الفضاء الخارجي.
هذه المحركات النانوية سوف تتيح لنا القيام بالتجارب التي لم تكن التقنية المتاحة قادرة على تطبيقها من قبل في مجال ديناميكا الكم الحرارية، وستكون منصة لدراسة كفاءة وقوة محركات الكم، مما يمهد الطريق لآلات النانو الكمية. سيقوم الدكتور أريس ببناء محركات يكون فيها “البخار” إلكترون أو اثنين، والمكبس هو سلك صغير شبه ناقل على شكل أنبوب كربون نانوي. يُتوقع أن يكون لاستكشاف هذا المجال الجديد تأثيرًا أساسيًا كبيرًا على طريقة فهمنا للآلات على أسس الدراسات السابقة في النظام الكلاسيكي.
السؤال الرئيسي الذي تسعى الدكتورة ناتاليا آريس إلى الإجابة عنه: ما هي كفاءة المحركات التي تؤثر فيها التقلبات وقد تنشأ فيها التأثيرات الكمية؟ الآثار المترتبة على الإجابة على هذا السؤال واسعة جدًا، ويمكن – على سبيل المثال – الاسترشاد بها في دراسة المحركات الحيوية أو تصميم الآلات النانوية الفعالة على الشرائح. ويمكن أن يكشف هذا البحث أيضًا عن سلوكيات فريدة تفتح الطريق أمام تكنولوجيا جديدة مثل تقنيات التبريد والاستشعار الجديدة على الرقائق أو الوسائل المبتكرة لجني الطاقة وتخزينها. ومن خلال تسخير التقلبات، قد يصبح الحفاظ على السلوك الكمي أقل صعوبة.
نتائج الدكتور أريس سيكون لها تطبيقات في كل من الحوسبة الكلاسيكية والكمية. وبنفس الطريقة التي أظهرت بها تجربة جول أن الحركة والحرارة قابلتان للتبادل فيما بينهما، تهدف الدكتورة أريس إلى ربط حركة أنبوب الكربون النانوي بالحرارة والشغل اللذين تنتجهما الإلكترونات الفردية. وهي متحمسة لاستعمال أجهزة ذات قدرات فريدة لاكتشاف خبايا ديناميكا الكم الحرارية.