Aqui está um novo capítulo na história da miniaturização de máquinas:pesquisadores em um laboratório em Cingapura mostraram que um único átomo pode funcionar como um motor ou uma geladeira. Esse dispositivo poderia ser projetado em futuros computadores e células de combustível para controlar os fluxos de energia.

"Pense em como seu computador ou laptop tem muitas coisas dentro dele que aquecem. Hoje, você resfria isso com um ventilador que sopra ar. Em nanomáquinas ou computadores quânticos, pequenos dispositivos que fazem resfriamento podem ser úteis, "diz Dario Poletti, da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD).

Este trabalho oferece uma nova visão sobre a mecânica de tais dispositivos. O trabalho é uma colaboração envolvendo pesquisadores do Centro de Tecnologias Quânticas (CQT) e do Departamento de Física da Universidade Nacional de Cingapura (NUS), SUTD e na Universidade de Augsburg na Alemanha. Os resultados foram publicados na revista revisada por pares npj Quantum Information em 1 de maio.

Motores e refrigeradores são máquinas descritas pela termodinâmica, um ramo da ciência que nos diz como a energia se move dentro de um sistema e como podemos extrair trabalho útil. Um motor clássico transforma energia em trabalho útil. Uma geladeira funciona para transferir calor, reduzindo a temperatura local. Eles são, em alguns sentidos, opostos.

As pessoas fizeram pequenos motores térmicos antes de usar um único átomo, uma única molécula e defeitos no diamante. Uma diferença fundamental sobre este dispositivo é que ele mostra quantum em sua ação. “Queremos entender como podemos construir dispositivos termodinâmicos com apenas alguns átomos. A física não é bem compreendida, então nosso trabalho é importante para saber o que é possível, "diz Manas Mukherjee, um investigador principal da CQT, NUS, quem liderou o trabalho experimental.

Os pesquisadores estudaram a termodinâmica de um único átomo de bário. Eles desenvolveram um esquema no qual os lasers movem um dos elétrons do átomo entre dois níveis de energia como parte de um ciclo, fazendo com que alguma energia seja empurrada para as vibrações do átomo. Como o motor de um carro consome gasolina para mover os pistões e carregar a bateria, o átomo usa a energia dos lasers como combustível para aumentar seu movimento vibratório. As vibrações do átomo agem como uma bateria, armazenando energia que pode ser extraída posteriormente. Reorganize o ciclo e o átomo atua como uma geladeira, removendo energia das vibrações.

Em qualquer modo de operação, efeitos quânticos aparecem em correlações entre os estados eletrônicos do átomo e vibrações. "Nesta escala, a transferência de energia entre o motor e a carga é um pouco confusa. Não é mais possível simplesmente trabalhar na carga, você é obrigado a transferir algum calor, "diz Poletti. Ele elaborou a teoria com os colaboradores Jiangbin Gong da NUS Physics e Peter Hänggi em Augsburg. A imprecisão torna o processo menos eficiente, mas os experimentalistas ainda podiam fazê-lo funcionar.

Mukherjee e colegas Noah Van Horne, Dahyun Yum e Tarun Dutta usaram um átomo de bário do qual um elétron (uma carga negativa) é removido. Isso torna o átomo carregado positivamente, portanto, pode ser mais facilmente mantido imóvel dentro de uma câmara de metal por campos elétricos. Todo o outro ar é removido ao seu redor. O átomo é então eletrocutado com lasers para movê-lo por um ciclo de quatro estágios.

Os pesquisadores mediram a vibração do átomo após a aplicação de 2 a 15 ciclos. Eles repetiram um determinado número de ciclos até 150 vezes, medindo em média quanta energia vibracional estava presente no final. Eles puderam ver o aumento da energia vibracional quando o átomo foi eletrocutado por um ciclo de motor, e diminuindo quando os zaps seguiram o ciclo da geladeira.

Compreender a máquina do tamanho de um átomo envolveu cálculos e observações complicados. A equipe precisava rastrear duas quantidades termodinâmicas conhecidas como ergotropia, que é a energia que pode ser convertida em trabalho útil, e entropia, que está relacionado à desordem no sistema. Tanto a ergotropia quanto a entropia aumentam à medida que a máquina-átomo funciona. Ainda há uma maneira simples de ver isso, diz primeiro autor e Ph.D. estudante Van Horne, "Falando livremente, projetamos uma pequena máquina que cria entropia à medida que é preenchida com energia livre, muito parecido com as crianças quando recebem muito açúcar. "