22.10.2025
Quantenmechanik übertrumpft zweites Gesetz der Thermodynamik
Zwei Physiker der Universität Stuttgart haben bewiesen, dass das Carnot-Prinzip, ein zentrales Gesetz der Thermodynamik, nicht für Objekte in der Größenordnung von Atomen gilt, deren physikalische Eigenschaften miteinander verknüpft sind (sogenannte korrelierte Objekte).
Diese Erkenntnis könnte zum Beispiel die Entwicklung winziger, energieeffizienter Quantenmotoren voranbringen. Das Wissenschaftsjournal Science Advances veröffentlichte die Herleitung.
Verbrennungsmotoren oder Dampfturbinen sind Wärmekraftmaschinen: Sie wandeln thermische Energie in mechanische Bewegung um - oder anders ausgedrückt, Wärme in Bewegung. In quantenmechanischen Experimenten ist es in den letzten Jahren gelungen, Wärmekraftmaschinen bis in den Mikrobereich zu verkleinern.
"Winzige Motoren, nicht größer als ein einzelnes Atom, könnten damit in Zukunft Realität werden", sagt Professor Eric Lutz vom Institut für Theoretische Physik I der Universität Stuttgart. "Fest steht nun auch, dass diese Motoren einen höheren maximalen Wirkungsrad erreichen könnten, als größere Wärmekraftmaschinen." Warum das so ist, zeigt Professor Eric Lutz gemeinsam mit Dr. Milton Aguilar, Postdoc-Forscher am Institut für Theoretische Physik I, jetzt in einem Science Advances Paper.
Der französische Physiker Sadi Carnot bestimmte vor fast genau 200 Jahren den maximalen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen. Das Carnot-Prinzip, der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, wurde für große, makroskopische Objekte entwickelt. Auf Dampfturbinen trifft es zum Beispiel zu. Die Forschenden konnten jetzt jedoch nachweisen, dass das Carnot-Prinzip für Objekte in der Größenordnung von Atomen erweitert werden muss - zum Beispiel für stark korrelierte molekulare Motoren.
Carnot zeigte, dass die Temperaturdifferenz einen entscheidenden Einfluss hat: Je größer der Unterschied zwischen heiß und kalt, desto höher der maximal mögliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine. Das Carnot-Prinzip vernachlässigt jedoch den Einfluss sogenannter Quantenkorrelationen. Das sind spezielle Verbindungen, die zwischen Teilchen in sehr kleinem Maßstab entstehen.
Die Wissenschaftler haben jetzt die Verallgemeinerungen der Thermodynamischen Gesetze, die diese Korrelationen vollständig berücksichtigt, zum ersten Mal hergeleitet. Sie konnten zeigen, dass thermische Maschinen, die auf atomarer Ebene arbeiten, nicht nur Wärme, sondern auch Korrelationen in Arbeit umwandeln können. Damit kann mehr Arbeit produziert werden - und der Wirkungsgrad eines Quantenmotors kann die Carnot-Grenze übersteigen.
Perspektiven der Grundlagenforschung
Die vorlgelegte Arbeit vertieft das Wissen über die Welt in atomaren Dimensionen. Je besser die physikalischen Gesetze begriffen werden, die in diesen Dimensionen gelten, desto eher können sie genutzt werden, um Technologien für morgen zu entwickeln - etwa winzig kleine, hocheffiziente Quantenmotoren, die Arbeiten auf Nanoebene präzise verrichten können. Vielleicht treiben solche Motoren eines Tages medizinische Nanobots an oder steuern Maschinen, die Materialien auf atomarer Ebene bearbeiten? Das Potenzial ist enorm vielfältig.
» Vortrag von Eric Lutz: Nanomotoren in der Quantenwelt
Quelle: Universität Stuttgart