Pesquisadores em Cingapura construíram uma geladeira com o tamanho de apenas três átomos. Este refrigerador quântico não mantém suas bebidas frias, mas é uma prova legal de que a física opera em escalas menores. O trabalho é descrito em um artigo publicado em 14 de janeiro em Nature Communications .

Os pesquisadores já construíram minúsculos motores térmicos antes, mas as geladeiras quânticas anteriores eram apenas teóricas, até que a equipe do Centre for Quantum Technologies da National University of Singapore esfriou com seus átomos. O dispositivo é um "refrigerador de absorção". Funciona sem peças móveis, usando calor para conduzir um processo de resfriamento.

Os primeiros refrigeradores de absorção, introduzido na década de 1850, ciclou a evaporação e absorção de um líquido, com o resfriamento ocorrendo durante o estágio de evaporação. Eles foram amplamente usados ​​para fazer gelo e refrigerar alimentos no século XX. Albert Einstein até deteve a patente de um design aprimorado. As geladeiras e condicionadores de ar de hoje usam mais frequentemente um compressor, mas os refrigeradores de absorção ainda têm seus usos - experimentos científicos incluídos.

"Nosso dispositivo é a primeira implementação do ciclo de refrigeração por absorção em nanoescala, "diz o co-autor Stefan Nimmrichter. Para criar um refrigerador de absorção com apenas três átomos exigia um controle requintado." Como um cientista experimental, é uma alegria pura ser capaz de manipular átomos individuais, "diz Gleb Maslennikov, o primeiro autor do artigo.

Primeiro, os pesquisadores capturaram e mantiveram três átomos do elemento itérbio em uma câmara de metal da qual retiraram todo o ar. Eles também puxaram um elétron de cada átomo para deixá-los com uma carga positiva. Os átomos carregados - chamados de íons - podem então ser mantidos no lugar com campos elétricos. Enquanto isso, os pesquisadores cutucam e eletrocutam os íons com lasers para colocá-los em seu estado de movimento de menor energia. O resultado é que os íons estão suspensos quase perfeitamente imóveis, amarrado em uma linha.

Outro disparo de laser injeta um pouco de calor, fazendo os íons balançarem. Os íons interagem uns com os outros por causa de suas cargas semelhantes. O resultado são três padrões de movimento - esmagamento e alongamento ao longo da linha como um Slinky, balançando como uma gangorra girando em torno do átomo central, e ziguezagueando para fora da linha como uma corda de pular ondulante.

A energia em cada modo de balanço é quantizada, com a energia transportada por vários dos chamados fônons. Ao sintonizar as frequências de oscilação, os pesquisadores estabeleceram condições de refrigeração de tal forma que um fônon movendo-se da gangorra para o modo Slinky arrastará um fônon do modo zigue-zague com ele. O modo zig-zag, portanto, perde energia, e sua temperatura cai. No seu estado mais frio, está dentro de 40 microKelvin do zero absoluto (-273C), a temperatura mais fria possível. Cada rodada de preparação de íons e contagem de fônons levou até 70 milissegundos, com o resfriamento ocorrendo por cerca de um milissegundo. Este processo foi repetido milhares de vezes.

Estudar esses pequenos dispositivos é importante para ver como a termodinâmica - nossa melhor compreensão dos fluxos de calor - pode precisar de ajustes para refletir leis mais fundamentais. Os princípios da termodinâmica são baseados nos comportamentos médios de grandes sistemas. Eles não levam em consideração os efeitos quânticos, o que é importante para os cientistas que constroem nanomáquinas e dispositivos quânticos.

Para testar a termodinâmica quântica, os pesquisadores fizeram medições cuidadosas de como os fônons se propagam pelos modos ao longo do tempo. Em particular, os pesquisadores testaram se um efeito quântico conhecido como 'compressão' aumentaria o desempenho do refrigerador quântico. Apertar significa fixar com mais precisão a posição dos íons. Por causa do princípio da incerteza quântica, isso aumenta a flutuação do momento. Por sua vez, isso aumenta o número médio de fonons no modo gangorra que impulsiona o resfriamento.

Para a surpresa da equipe, apertar não ajudava na geladeira. "Se você tem uma quantidade finita de energia para gastar, é melhor transformá-lo diretamente em calor do que usá-lo preparando um estado espremido, "diz Dzmitry Matsukevich, quem liderou o trabalho experimental.

Contudo, eles encontraram a quantidade máxima de resfriamento, que foi conseguido com um método apelidado de "tomada única, "excede o que a termodinâmica de equilíbrio clássica prevê. Nesta abordagem, a equipe interrompe o efeito de refrigeração dessintonizando os modos de oscilação antes que o sistema alcance seu ponto final natural. O resfriamento ultrapassa o equilíbrio.

O físico Valerio Scarani, outro membro da equipe, está ansioso para levar as coisas mais longe. "A próxima pergunta é, você pode esfriar o que quiser com isso? Até aqui, temos o motor da geladeira, mas não a caixa para a cerveja, " ele diz.