Embora muitas das teorias da termodinâmica clássica aceitas atualmente sejam anteriores à revolução industrial que elas ajudaram a impulsionar, muitas questões em aberto permanecem em torno de como essas idéias se traduzem no nível dos sistemas quânticos únicos. Em particular, o potencial de superposição de estados tem implicações ainda não exploradas para o comportamento termodinâmico. Agora, uma colaboração de pesquisadores no Japão, na Ucrânia e nos EUA produziu um dispositivo quântico que pode não só se comportar de forma análoga a uma máquina de calor e uma geladeira, mas também uma superposição de ambos ao mesmo tempo.
Keiji Ono, Sergey Shevchenko e Franco Nori – que compartilham uma afiliação com RIKEN no Japão, entre suas outras instituições, Instituto B. Verkin para Física e Engenharia de Baixa Temperatura e a Universidade de Michigan – trabalharam com qubits em várias formas. Eles se reuniram para examinar o comportamento de qubits com base em impurezas no silício para interferometria quântica antes de voltar sua atenção para como o comportamento desses sistemas pode se assemelhar a motores de calor clássicos.
Desafios experimentais
Explorar a termodinâmica no nível quântico abre algumas possibilidades intrigantes. ?Um dos assuntos discutidos neste campo é a possibilidade dos motores térmicos quânticos superarem a eficiência dos clássicos?, sugere Shevchenko como exemplo. No entanto, tem seus desafios, o que significa que a maioria dos estudos até agora têm sido puramente teóricos. Entre outras características, para a engenharia quântica, é importante ter qubits que são “quentes, densos e coerentes”, disse Shevchenko ao Phys.org. Aqui, “quente” significa trabalhar no regime de poucos Kelvin, que, embora ainda seja bastante gelado, é menos desafiador tecnologicamente do que os sistemas que requerem resfriamento até milikelvins. A desvantagem é que esses sistemas quentes são mais difíceis de descrever e controlar, mas aqui os pesquisadores foram capazes de explorar sua riqueza de conhecimentos com qubits baseados em silício.
Ono, Shevchenko e Nori e seus colaboradores basearam seus estudos de termodinâmica quântica em um transistor de efeito de campo de tunelamento feito de impurezas densamente implantadas em silício. Sob tensões de ganho de fonte, o transporte através de seu dispositivo é dominado por um túnel entre uma impureza perto da superfície (rasa) e outra próxima, mas mais profunda dentro do material, criando um dispositivo de dois níveis de energia. O comportamento de transporte de elétrons do dispositivo dá origem a interessantes características de spin, em particular, uma ressonância de spin de elétrons na qual a corrente fonte-dreno atinge o pico para campos magnéticos CA e CC específicos aplicados. A partir desse pico de ressonância, eles foram capazes de extrair duas escalas de tempo características que refletem o tempo de vida do estado excitado na impureza e seu tempo de decoerência. O tempo de decoerência define quanto tempo uma relação de fase definida é retida entre sua função de onda e outras, o que permite sobreposição e interferência.
Além de ser capaz de acionar o dispositivo com a tensão do portão para preencher os dois níveis de energia, os pesquisadores também puderam ajustar a lacuna entre os níveis de energia modulando a frequência e a amplitude dos campos magnéticos. Como resultado, dependendo se o sistema foi conduzido para o estado excitado quando a lacuna era grande e relaxado quando era menor ou o contrário, ele operaria de forma análoga a um motor térmico ou refrigerador Otto. Os efeitos quânticos interessantes ocorrem quando o período de relaxamento e o período da tensão de acionamento começam a coincidir. Nesse ponto, eles mostram que a função do dispositivo pode estar na superposição de um estado de motor e de refrigerador. Os cálculos teóricos da probabilidade de excitação combinaram perfeitamente com as correntes de pico medidas.
Limites e desenvolvimentos futuros
Existem algumas distinções entre a operação de seu dispositivo quântico e um motor térmico clássico ou refrigerador. Em particular, não existem banhos de calor, embora seu dispositivo seja conectado a cabos de tensão superior e inferior, atuando como análogos elétricos dos banhos de calor. No entanto, Shevchenko diz: “É surpreendente considerar a nova possibilidade de haver uma superposição quântica de um motor minúsculo e uma geladeira minúscula.”
Embora os primeiros a reconhecer que, no caso macroscópico ou clássico, tal dispositivo não atendesse a muitas demandas práticas, os pesquisadores esperam que para objetos quânticos ele possa introduzir novas funcionalidades que não são apenas interessantes, mas também úteis. Como outro exemplo, Shevchenko cita o laser, que foi inventado muito antes de as aplicações agora onipresentes se tornarem aparentes. “Acreditamos que nossos resultados sejam cientificamente interessantes”, disse Shevchenko ao Phys.org. “Por enquanto, estamos explorando sua física básica e [acreditamos] que as possíveis aplicações não são claras neste momento. Isso geralmente acontece na ciência.”
Publicado em 10/10/2020 02h43
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