Conheça O Motor Quântico Que Esquenta E Esfria Ao Mesmo Tempo

Um motor quântico é um dispositivo que gera ou perde energia a partir do fluxo de calor entre os reservatórios quentes e frios. O mecanismo de operação pode ser descrito pelas leis da mecânica quântica e podem operar até a escala de uma única partícula, justificando a necessidade de uma teoria quântica.

O fenômeno da superposição quântica estabelece que uma partícula pode estar em dois estados ao mesmo tempo, ou em dois “lugares simultaneamente”, pois você só sabe o valor ou a posição reais quando faz uma medição, o que faz a superposição colapsar e a partícula assumir uma identidade ou uma posição definida. Se você já está acostumado com essa noção, demonstrada experimentalmente, então não vai estranhar muito o feito de Keiji Ono e colegas do Instituto Riken, no Japão.

O pesquisador Keiji Ono criou um nanodispositivo que atua como um motor térmico, absorvendo ou liberando calor. Isso significa que o nanodispositivo pode funcionar tanto como uma minigeladeira, quanto como um miniaquecedor. Complicado de entender, não é mesmo?

O toque quântico adicional da superposição pode resfriar e aquecer ao mesmo tempo.

É claro que, normalmente, não combinamos uma geladeira com um aquecedor, pois isso tornaria uma máquina completamente inútil. Mas tudo é diferente quando se estuda e trabalha com nanopartículas, pois em tal escala um refrigerador/aquecedor pode ser útil para alternar rapidamente entre as duas funções, em um chip de computação quântica e a termodinâmica quântica será essencial nos próximos anos.

Vamos entender um pouco mais! Em uma geladeira normal, como a que temos em casa, há uma troca de calor entre dois volumes de fluido, onde um é comprimido para que se aqueça, enquanto forçar o outro a se expandir para que se esfrie. Se essas operações forem feitas em um ciclo periódico, os dois volumes de fluido trocarão energia e o sistema pode ser usado como uma máquina de calor ou como uma geladeira.

Com isso, no chamado nanomotor, esse processo é feito aumentando ou diminuindo o hiato entre os níveis de energia internos de um elétron em um transístor. O elétron tem dois estados de energia possíveis, sendo que a lacuna entre esses dois estados de energia pode ser controlada aplicando um campo elétrico e micro-ondas.

Keiji Ono destaca:

Isso é análogo à operação periódica de expansão-compressão de um fluido dentro de uma câmara.

Os ciclos de um nanodispositivo podem ser medidos porque o sistema “modula” as micro-ondas quando o elétron muda de nível de energia. As micro-ondas são reemitidas quando o elétron passa de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo, mas são diferentes das micro-ondas reemitidas quando o elétron passa de um nível de energia mais baixo para um nível de energia mais alto. E essa medição permite definir claramente quando o “dispositivo” está funcionando como uma geladeira ou como um aquecedor.

Com isso, tanto na teoria, como na prática experimental, a “nanomáquina” pode funcionar como geladeira e como aquecedor ao mesmo tempo, o que pode ser detectado na forma de um padrão de interferência de micro-ondas, onde esse padrão é uma mescla das energias emitidas quando o dispositivo está aquecendo e daquelas emitidas quando está resfriando.

Por fim, Keiji Ono afirma que houve uma correspondência quase perfeita entre o padrão de interferência experimental e o previsto pela teoria e isso pode permitir uma mudança rápida entre os dois modos de operação, sendo que tal capacidade pode ajudar a criar novas aplicações no futuro.

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Fonte: Inovação Tecnológica e Artigo: Analog of a Quantum Heat Engine Using a Single-Spin Qubit. Revista: Physical Review Letters. Vol.: 125, 166802.

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.166802.

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