Enquanto muitas equipes de pesquisa em todo o mundo estão tentando desenvolver computadores quânticos de alto desempenho, alguns estão trabalhando em ferramentas para controlar o fluxo de calor dentro deles. Assim como os computadores convencionais, na verdade, computadores quânticos podem aquecer significativamente enquanto estão operando, o que pode danificar tanto os dispositivos quanto os arredores.

Uma equipe de pesquisadores da University Grenoble Alpes na França e do Centro de Excelência - Quantum Technology na Finlândia desenvolveu recentemente uma válvula de calor de ponto quântico único, um dispositivo que pode ajudar a controlar o fluxo de calor em junções de pontos quânticos únicos. Esta válvula de calor, apresentado em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia ajudar a prevenir o superaquecimento dos computadores quânticos.

"Com a miniaturização dos componentes eletrônicos, o manuseio do excesso de calor em nanoescalas se tornou uma questão cada vez mais importante a ser abordada, "Nicola Lo Gullo, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Isso é especialmente verdadeiro quando se deseja preservar a natureza quântica de um dispositivo; o aumento da temperatura normalmente resulta na degradação das propriedades quânticas. A recente realização de uma válvula de calor fotônica por outro grupo de pesquisa nos inspirou a criar uma válvula de calor baseada em um ponto quântico de estado sólido. "

Um dos principais objetivos do estudo recente realizado por Lo Gullo e seus colegas foi demonstrar a viabilidade de controlar a quantidade de calor que flui através de uma junção de pontos quânticos, ao mesmo tempo que permite o fluxo de uma determinada quantidade de corrente elétrica. Para projetar sua válvula de calor de ponto quântico único, os pesquisadores colocaram uma nanopartícula de ouro entre dois contatos metálicos, usando-o como uma junção. Esta nanopartícula é tão pequena que pode ser usada para intervir em um único nível de energia, agindo como um átomo artificial maior, com vários níveis de energia acessíveis.

“Ajustando adequadamente os parâmetros externos é possível permitir que os elétrons de um dos contatos fluam por apenas um dos níveis desse átomo artificial e cheguem ao outro contato, "Lo Gullo explicou." O ponto quântico de nível único, portanto, atua como uma ponte entre os dois contatos metálicos. "

Em circunstâncias normais, a troca de energia só é possível quando o nível de energia de um ponto quântico está em ressonância com a energia dos elétrons nos contatos. No dispositivo desenvolvido por Lo Gullo e seus colegas, Contudo, a presença dos contatos muda as propriedades do átomo artificial, ampliando seus níveis de energia.

"Este efeito está no cerne do efeito da válvula de calor que estudamos, "Lo Gullo acrescentou." A ampliação equivale à criação de estados virtuais, que não são classicamente acessíveis e permitem que os elétrons fluam de um contato para outro, carregando energia e dando origem ao efeito de válvula de calor que relatamos. "

Em condutores maiores (macroscópicos), pesquisadores identificaram uma relação simples e universal entre sua capacidade de conduzir carga elétrica e sua capacidade de conduzir calor. Essa relação é delineada por uma construção teórica conhecida como lei de Wiedemann-Franz.

Em dispositivos quânticos como o desenvolvido por Lo Gullo e seus colegas, Contudo, as coisas não são tão diretas. Isso se deve à quantização de carga e energia, o que leva a desvios da lei Wiedemann-Franz.

"Usando a imagem da mecânica quântica mais básica (chamada semiclássica), seria de se esperar que uma junção de pontos quânticos não conduzisse calor, "Clemens Winkelmann, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Nossas medidas, Contudo, mostre que isso não é verdade, e a explicação teórica está relacionada às flutuações quânticas, exatamente como no princípio da incerteza de Heisenberg, que restauram parcialmente a energia e, portanto, o fluxo de calor. "

Quando eles estavam desenvolvendo seu dispositivo, os pesquisadores tiveram que superar uma série de desafios técnicos. Por exemplo, eles tiveram que identificar uma estratégia para medir a temperatura (e diferenças de temperatura) localmente dentro de um dispositivo quântico. Em última análise, uma das maiores conquistas de seu estudo é que eles foram capazes de coletar essas medições e, assim, obter uma melhor compreensão de como o calor é gerenciado dentro de dispositivos quânticos.

"Dispositivos eletrônicos produzem dissipação quando tratam informações, e isso leva aos conhecidos problemas de superaquecimento observados em processadores clássicos, que também ocorrem no mundo quântico, "Winkelmann disse." O superaquecimento pode perturbar o funcionamento lógico do dispositivo, levando a erros. Nosso trabalho fornece uma melhor compreensão de como o calor é gerado e pode ser drenado em tal dispositivo. "

Ao introduzir uma estratégia para obter controle sobre o calor que flui através das menores junções em dispositivos quânticos, o recente artigo de Lo Gullo, Winkelmann e seus colegas poderiam abrir novas possibilidades interessantes relacionadas a um campo emergente de estudo conhecido como termotrônica de estado sólido. A pesquisa de termotrônica de estado sólido investiga a possibilidade de controlar fluxos de calor através de gradientes de temperatura de maneira semelhante àquela em que correntes e tensões elétricas são controladas em dispositivos existentes.

"A termotrônica de estado sólido é um campo relativamente novo, mas um progresso importante foi feito, como a realização de válvulas de calor, diodos e transistores térmicos, coletores de energia e até as propostas de portas lógicas térmicas, "Lo Gullo disse." Fornecemos mais um exemplo da viabilidade de controlar e medir correntes de calor e temperaturas em dispositivos de estado sólido. "

No futuro, a válvula de calor desenvolvida por esta equipe de pesquisadores pode melhorar a confiabilidade e segurança dos dispositivos quânticos, reduzindo o risco de superaquecimento. Em seus próximos estudos, Lo Gullo e Winkelmann gostariam de conceber estratégias para medir a dissipação ao longo do tempo. Em outras palavras, em vez de se concentrar no aquecimento de estado estacionário de um dispositivo quântico, eles planejam examinar um único, processos dissipativos quânticos elementares, como o tunelamento de um único elétron ou um único deslizamento de 2π da fase da mecânica quântica.

"Existem muitas direções possíveis para pesquisas futuras, "Lo Gullo acrescentou." No momento, estamos examinando cruzamentos com uma estrutura mais complexa para ver se eles oferecem algumas vantagens em termos de alcance de operabilidade. Outra possibilidade atraente é conseguir controle resolvido no tempo sobre o fluxo de calor, permitindo, assim, operações em tempo real em vista de aplicações em termotrônicos. "

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