A noção teórica de um 'motor térmico 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 traçaram uma analogia entre masers de três níveis e máquinas térmicas.

Nos anos que se seguiram, outros pesquisadores desenvolveram uma variedade de teorias com base nas idéias de Scovil e Schulz-DuBois, apresentar propostas de ciclos termodinâmicos à escala quântica. Muito recentemente, os físicos começaram a testar algumas dessas teorias em ambientes experimentais.

Um desses experimentos foi realizado por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Waterloo, Universidade Federal do ABC e Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, que demonstrou com sucesso um motor térmico quântico de spin em um ambiente de laboratório. Seu papel, publicado em Cartas de revisão de física , descreve a implementação de um motor térmico baseado em um sistema spin-1/2 e técnicas de ressonância magnética nuclear.

"A chamada 'termodinâmica quântica' está atualmente em desenvolvimento, “Roberto Serra, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Este campo emergente também está associado a desenvolvimentos em tecnologia quântica, que promete uma espécie de nova revolução industrial em nanoescala com dispositivos disruptivos para computação, comunicação, sensores, etc. "

Em seu experimento, Serra e seus colegas implementaram com sucesso um motor térmico 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 radiofrequência, em última análise, produzindo um ciclo Otto (ou seja, o ciclo termodinâmico usado na maioria dos motores comuns).

"A diferença de energia entre os dois possíveis estados de rotação nuclear (digamos para cima e para baixo) foi aumentada e diminuída de forma semelhante a uma expansão e compressão do pistão em um motor de carro, "Serra explicou." 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. Medindo essas flutuações em um ciclo termodinâmico, Contudo, é uma tarefa extremamente desafiadora, que os pesquisadores foram surpreendentemente capazes de completar. Eles descobriram que, ao realizar um ciclo de Otto quântico na potência máxima, seu motor térmico quântico poderia atingir uma eficiência de extração de trabalho de η≈42%, que está muito próximo de seu limite termodinâmico (η =44%).

"No presente experimento, fomos capazes de caracterizar todas as flutuações de energia no trabalho e calor, além da irreversibilidade na escala quântica, "John Peterson um dos co-autores do estudo, disse a 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 "fricção quântica", que reduz o desempenho. Esse tipo de atrito também está associado a um aumento da entropia. Por outro lado, uma operação muito lenta (que diminui o atrito quântico) não fornecerá uma quantidade considerável de energia extraída. Então, o melhor cenário é conciliar alguma quantidade de energia com baixos níveis de atrito quântico ou produção de entropia, de forma semelhante ao que a engenharia moderna faz nos motores dos carros. "

O estudo realizado por Serra e seus colegas está entre os primeiros a demonstrar experimentalmente uma máquina térmica quântica de spin de prova de conceito. Esta máquina de calor à prova de conceito pode, em última análise, informar estudos futuros que exploram o funcionamento e o potencial das máquinas térmicas quânticas.

"Em nosso experimento, o minúsculo motor de rotação atinge uma eficiência próxima ao seu limite termodinâmico na potência máxima, que é muito melhor do que os motores de automóveis podem fazer hoje em dia, "Disse Serra." O motor de spin quântico não seria muito útil na prática, já que o trabalho produzido forneceria uma quantidade muito pequena de energia para as ondas de rádio. Seria suficiente apenas para alterar outro spin nuclear. Estamos mais interessados ​​em medir quanta energia ela usa, quanto calor ele dissipa, e quanta entropia é produzida durante a operação. "

Em seu trabalho futuro, 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.

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