Dans une chambre ultra-froide, deux nuages d'atomes entrent en collision : quelques dizaines d'atomes de césium, qui jouent le rôle de fluide de travail, et des milliers d'atomes de rubidium, qui forment le réservoir de chaleur. Chaque collision est un échange de chaleur microscopique, comparable à l'accord d'un instrument de musique : la température du réservoir donne le tempo auquel les atomes échangent de l'énergie. C'est ce tempo, et pas seulement les champs magnétiques, qui détermine la vitesse à laquelle le moteur quantique effectue son cycle.
Dans l'expérience, l'échange de chaleur se fait par collisions inélastiques qui font passer les atomes de césium entre sept niveaux d'énergie définis par le champ magnétique. Lors du chauffage, les atomes gagnent de l'énergie ; lors du refroidissement, ils en perdent. La vitesse de ces processus dépend de la vitesse des atomes de rubidium, c'est-à-dire de leur température cinétique. En élevant la température du réservoir de 679 à 1140 nanokelvins, les physiciens ont modifié la loi d'échange de chaleur : le chauffage ralentissait, tandis que le refroidissement s'accélérait. Cela a permis de réduire le temps total du cycle sans changer les champs magnétiques.
Le résultat clé est un optimum à 1410 nanokelvins, où la puissance a atteint un pic de 28.0 nK/ms (en unités de la constante de Boltzmann), avec un rendement resté égal à 0.489. On pensait auparavant que pour accélérer, il fallait modifier le système lui-même ; ici, il suffisait d'« accorder » le réservoir. La modélisation basée sur les sections efficaces réelles de diffusion a reproduit exactement l'expérience et a montré que les modèles simplifiés à une seule vitesse de relaxation surestiment la puissance d'un facteur un et demi à deux.
Cette découverte relie la physique atomique des collisions à la thermodynamique en temps fini. Contrôler le couplage avec le réservoir s'est avéré plus efficace que de contrôler le système lui-même, et ouvre la voie à la conception de machines thermiques nanométriques où le spectre des temps de relaxation devient une ressource. L'accord de l'instrument se poursuit : à venir, des réservoirs à mémoire et l'optimisation des protocoles de contrôle.
À la température de 1410 nanokelvins, optimale pour la puissance, le nuage thermique de rubidium se déplace à une vitesse moyenne d'environ 2 millimètres par seconde — mille fois plus lentement qu'une mouche domestique.
Dans le roman de Stanisław Lem « L'Invincible », des machines microscopiques utilisent l'environnement pour se reproduire, mais se heurtent au problème de l'évacuation de la chaleur. Contrôler l'échange de chaleur par des collisions microscopiques, comme dans ce travail, est un pas vers la résolution de tels problèmes à l'échelle nanométrique.