Embora muitas das teorias da termodinâmica clássica aceitas hoje sejam anteriores à revolução industrial, elas ajudaram a impulsionar, muitas questões em aberto permanecem em torno de como essas idéias se traduzem no nível de sistemas quânticos únicos. Em particular, o potencial de superposição de estados tem implicações ainda inexploradas para o comportamento termodinâmico. Agora, uma colaboração de pesquisadores no Japão, a Ucrânia e os EUA produziram um dispositivo quântico que não só pode 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 a RIKEN no Japão, entre suas outras instituições, O Instituto B. Verkin de Física e Engenharia de Baixa Temperatura e a Universidade de Michigan - todos trabalharam com qubits de várias maneiras. 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, "Shevchenko sugere como exemplo. No entanto, não é sem seus desafios, o que significa que a maioria dos estudos até agora foram puramente teóricos. Entre outras características, para engenharia quântica, é importante ter qubits que são "quentes, denso, e coerente, "Shevchenko disse ao Phys.org. Aqui, "quente" significa trabalhar no regime de poucos Kelvin, que, enquanto ainda está bem 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 vasta experiência com qubits à base de 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 características interessantes de spin, em particular, uma ressonância de spin de elétron na qual a corrente fonte-dreno atinge o pico para campos magnéticos CA e CC aplicados específicos. Deste 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, que permite superposição e interferência.

Além de ser capaz de acionar o dispositivo com a tensão da porta para preencher os dois níveis de energia, os pesquisadores também podem 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 relaxada quando era menor ou o contrário, funcionaria 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 motriz começam a coincidir. Neste 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 há banhos de calor, embora seu dispositivo esteja conectado a cabos de alta e baixa voltagem, atuando como análogos elétricos de banhos de calor. Apesar disso, Shevchenko diz, "É surpreendente considerar a nova possibilidade de haver uma superposição quântica de um minúsculo motor e uma minúscula geladeira."

Embora seja o primeiro a reconhecer que, no caso macroscópico ou clássico, tal dispositivo não atenderia 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 que as aplicações agora onipresentes se tornassem aparentes. "Acreditamos que nossos resultados são cientificamente interessantes, "Shevchenko disse ao Phys.org." Por enquanto, estamos explorando sua física básica, e [acredita] que as possíveis aplicações não estão claras neste momento. Isso geralmente acontece na ciência. "

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