Pela primeira vez, os cientistas mediram o calor transferido pela efervescência quântica do espaço vazio.
Duas pequenas membranas vibratórias atingiram a mesma temperatura, apesar de separadas por um vácuo, relatam físicos na revista Nature 12 de dezembro. O resultado é a primeira demonstração experimental de um tipo de transferência de calor previsto, mas evasivo.
Normalmente, um vácuo impede a maioria dos tipos de transferência de calor – o que ajuda uma garrafa térmica selada a vácuo a manter a tubulação de café quente. Mas “a mecânica quântica oferece um novo caminho para o calor passar”, diz o co-autor King Yan Fong, físico que trabalhou no estudo enquanto estava na Universidade da Califórnia, em Berkeley. Para distâncias na escala de nanômetros, o calor pode ser transferido através do vácuo através de flutuações quânticas, um tipo de agitação de partículas e campos transitórios que ocorre mesmo no espaço vazio.
Feitas de nitreto de silício revestido a ouro, as duas membranas mediam cerca de 300 micrômetros de diâmetro. Os pesquisadores resfriaram uma membrana e aqueceram a outra, a uma diferença de temperatura de cerca de 25 graus Celsius. Esse calor se traduzia em um movimento das membranas em forma de cabeça de tambor – quanto mais quente a membrana, mais vigorosamente vibrava. Quando as membranas foram colocadas a poucas centenas de nanômetros uma da outra, separadas por nada além de espaço vazio, suas temperaturas se igualaram, indicando que o calor havia sido transferido entre elas.
“É super empolgante”, diz Sofia Ribeiro, pesquisadora de óptica quântica da Universidade de Durham, na Inglaterra, que não participou do estudo. Os cientistas vêm trabalhando para desenvolver pequenas máquinas que tiram proveito das peculiaridades da termodinâmica em escalas quânticas. O novo estudo pode ser um alimento para esse esforço. “Isso abre … uma enorme plataforma que será muito interessante para explorar”, diz ela.
O calor normalmente viaja por três vias principais: condução, convecção e radiação. A condução descreve a transferência de calor através do contato direto dos materiais, enquanto a convecção é a transferência de calor resultante de movimentos de gases ou líquidos, como o aumento do ar quente. Esses dois não solicitam espaço vazio. Mas a radiação – transferência de calor através de ondas eletromagnéticas – pode ocorrer através do vácuo, como no sol que aquece a Terra. Agora, os pesquisadores dizem que mostraram experimentalmente outro mecanismo pelo qual o calor pode atravessar o vácuo, embora o efeito seja significativo em distâncias muito pequenas.
A nova variedade de transferência de calor é resultado do efeito Casimir, que descreve como as flutuações quânticas produzem uma força atraente entre duas superfícies separadas por um vácuo. Na mecânica quântica, o espaço vazio nunca pode ser verdadeiramente vazio: ondas eletromagnéticas transitórias estão constantemente entrando e saindo da existência. Essas ondas, embora virtuais, podem exercer forças reais nos materiais. No espaço entre as superfícies, as ondas eletromagnéticas podem ocorrer apenas com comprimentos de onda específicos. Mas ondas de qualquer tamanho podem caber do lado de fora, e esse excesso de ondas externas cria uma pressão interna. No experimento, as duas membranas se influenciam por meio dessa força – o movimento do objeto mais quente sacode o mais frio, por exemplo – igualando suas temperaturas.
“É um experimento muito interessante”, diz o físico John Pendry, do Imperial College London, que não participou da pesquisa.
Esse novo tipo de transferência de calor pode ser aproveitado para melhorar o desempenho de dispositivos em nanoescala. “O calor é um grande problema em nanotecnologia”, diz Pendry. O desempenho dos pequenos circuitos encontrados em telefones celulares e outros eletrônicos é limitado pela rapidez com que o dispositivo pode dissipar o calor.
Pendry espera ver futuros experimentos desse tipo voltados para aplicações do efeito na vida real, embora reconheça que é pedir demais a primeira demonstração. “Isso está sendo ganancioso”, diz ele. “Você não recebe todos os doces ao mesmo tempo.”
Publicado em 12/12/2019
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