En una cámara ultrafría chocan dos nubes de átomos: unas decenas de átomos de cesio, que actúan como fluido de trabajo, y miles de átomos de rubidio, que forman el reservorio de calor. Cada colisión es un intercambio de calor microscópico que puede compararse con la afinación de un instrumento musical: la temperatura del reservorio marca el ritmo al que los átomos intercambian energía. Ese ritmo, y no solo los campos magnéticos, determina la rapidez con la que el motor cuántico completa su ciclo.
En el experimento, el intercambio de calor ocurre mediante colisiones inelásticas que transfieren los átomos de cesio entre siete niveles de energía definidos por el campo magnético. Durante el calentamiento, los átomos ganan energía; durante el enfriamiento, la ceden. La velocidad de estos procesos depende de la velocidad de los átomos de rubidio, es decir, de su temperatura cinética. Al elevar la temperatura del reservorio desde 679 hasta 1140 nanokelvins, los físicos modificaron la ley del intercambio de calor: el calentamiento se ralentizó y el enfriamiento se aceleró. Esto permitió acortar el tiempo total del ciclo sin alterar los campos magnéticos.
El resultado clave es un óptimo a 1410 nanokelvins, donde la potencia alcanzó un pico de 28.0 nK/ms (en unidades de la constante de Boltzmann), mientras que la eficiencia se mantuvo en 0.489. Antes se pensaba que para acelerar el sistema había que modificar el propio sistema, pero aquí bastó con "afinar" el reservorio. La simulación basada en secciones eficaces de dispersión reales reprodujo con precisión el experimento y mostró que los modelos simplificados con una única velocidad de relajación sobreestiman la potencia en un factor de 1.5 a 2.
Este descubrimiento vincula la física atómica de colisiones con la termodinámica de tiempo finito. Controlar el acoplamiento con el reservorio resultó más eficaz que controlar el propio sistema, y abre el camino al diseño de máquinas térmicas a nanoescala donde el espectro de tiempos de relajación se convierte en un recurso. La afinación del instrumento continúa: en el horizonte están los reservorios con memoria y la optimización de los protocolos de control.
A la temperatura de 1410 nanokelvins, óptima para la potencia, la nube térmica de rubidio se mueve a una velocidad media de unos 2 milímetros por segundo, mil veces más lenta que una mosca doméstica.
En la novela 'El Invencible' de Stanisław Lem, las máquinas microscópicas utilizan el entorno para autorreplicarse, pero se enfrentan al problema de disipar el calor. Controlar el intercambio de calor mediante colisiones microscópicas, como en este trabajo, es un paso hacia la resolución de problemas similares a nanoescala.