A noção teórica de um “mecanismo de aquecimento quântico” existe há várias décadas. Foi introduzido pela primeira vez há cerca de sessenta anos por Scovil e Schulz-DuBois, dois físicos do Bell Labs que traçavam uma analogia entre mestres de três níveis e máquinas térmicas.
Nos anos seguintes, outros pesquisadores desenvolveram uma variedade de teorias baseadas nas idéias de Scovil e Schulz-DuBois, apresentando propostas de ciclos termodinâmicos na escala quântica. Muito recentemente, os físicos começaram a testar algumas dessas teorias em contextos experimentais.
Um desses experimentos foi realizado por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Waterloo, da Universidade Federal do ABC e do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, que demonstraram com sucesso um motor de calor quântico de rotação em laboratório. O artigo, publicado na revista Physics Review Letters, descreve a implementação de um motor térmico baseado em um sistema spin-1/2 e em técnicas de ressonância magnética nuclear.
“A chamada ‘termodinâmica quântica’ está atualmente em desenvolvimento”, disse Roberto Serra, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. “Esse campo emergente também está associado ao desenvolvimento da tecnologia quântica, que promete um tipo de nova revolução industrial em escala nano, com dispositivos disruptivos para computação, comunicação, sensores, etc.”
Em seu experimento, Serra e seus colegas implementaram com sucesso um mecanismo quântico de prova de princípio usando um spin nuclear colocado em uma molécula de clorofórmio e técnicas de ressonância magnética nuclear. Os pesquisadores manipularam especificamente o spin nuclear de um isótopo de Carbono 13 usando um campo de radiofreqüência, produzindo finalmente um ciclo Otto (ou seja, o ciclo termodinâmico usado nos motores mais comuns).
“A diferença de energia entre os dois possíveis estados de rotação nuclear (digamos, para cima e para baixo) aumentou e diminuiu de forma semelhante à expansão e compressão do pistão em um motor de carro”, explicou Serra. “Sob algumas condições, os spins nucleares na molécula podem absorver e liberar calor de / para ondas de rádio”.
As flutuações de energia desempenham um papel crucial no cenário quântico em que Serra e seus colegas se concentraram. Medir essas flutuações em um ciclo termodinâmico, no entanto, é uma tarefa extremamente desafiadora, que os pesquisadores foram surpreendentemente capazes de concluir. Eles descobriram que, ao executar um ciclo Otto quântico na potência máxima, seu mecanismo de aquecimento quântico poderia atingir uma eficiência para a extração de trabalho de ??42%, o que está muito próximo do seu limite termodinâmico (? = 44%).
“No presente experimento, fomos capazes de caracterizar todas as flutuações de energia no trabalho e no calor, além da irreversibilidade na escala quântica”, disse John Peterson, um dos co-autores do estudo, ao Phys.org. “A operação rápida de nossa máquina molecular produz transições entre os estados de energia de spin, que estão relacionados ao que chamamos de ‘atrito quântico’ que reduz o desempenho. Esse tipo de atrito também está associado a um aumento na entropia. Por outro lado, A operação lenta (que diminui o atrito quântico) não fornecerá uma quantidade considerável de energia extraída, portanto, o melhor cenário é conciliar alguma quantidade de energia com baixos níveis de atrito quântico ou produção de entropia, de maneira semelhante à que a engenharia moderna faz. motores de automóveis “.
O estudo realizado por Serra e seus colegas é um dos primeiros a demonstrar experimentalmente um mecanismo de aquecimento quântico de rotação de prova de conceito. Esse mecanismo de calor à prova de conceito poderia, em última análise, informar estudos futuros explorando o funcionamento e o potencial de máquinas térmicas quânticas.
“Em nosso experimento, o pequeno motor de rotação atinge uma eficiência próxima ao seu limite termodinâmico na potência máxima, o que é muito melhor do que o que os motores de carros podem fazer hoje em dia”, disse Serra. “O mecanismo de rotação quântica não seria muito útil na prática, pois o trabalho produzido forneceria uma quantidade muito pequena de energia às ondas de rádio. Seria suficiente apenas para alterar outra rotação nuclear. Estamos mais interessados ??em medir quanta energia ele usa , quanto calor ele dissipa e quanta entropia é produzida durante a operação “.
Em seus trabalhos futuros, Serra e seus colegas também esperam identificar maneiras de otimizar a operação de pequenas máquinas térmicas quânticas, demonstrando sua eficácia em experimentos reais. Isso poderia ajudar a construir refrigeradores quânticos mais avançados que poderiam ser implementados em novos computadores quânticos.
Publicado em 31/12/2019
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