Geladeira ou aquecedor? Motor quântico esquenta e esfria ao mesmo tempo

 Geladeira ou aquecedor? Motor quântico esquenta e esfria ao mesmo tempo 

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/12/2020 

 As assinaturas são claras: o dispositivo pode estar esquentando ou esfriando - ou as duas coisas ao mesmo tempo. 

[Imagem: Keiji Ono et al. - 10.1103/PhysRevLett.125.166802] 

 
 

Superposição de quente e frio 

O fenômeno da superposição quântica estabelece que uma partícula pode estar em dois estados ao mesmo tempo, ou em dois lugares simultaneamente - você só sabe o valor ou a posição reais quando faz uma medição, o que faz a superposição colapsar e a partícula assumir uma identidade ou uma posição definida. 

Se você já está acostumado com essa noção - bem demonstrada experimentalmente, é bom que se diga - então não vai estranhar muito o feito de Keiji Ono e colegas do Instituto Riken, no Japão. 

Ono criou um nanodispositivo que atua como um motor térmico, absorvendo calor ou liberando calor. 

Isso significa que o nanodispositivo pode funcionar tanto como uma minigeladeira, quanto como um aquecedor. 

Mas isso não é tudo: Com o toque quântico adicional da superposição, ele pode na verdade resfriar e aquecer ao mesmo tempo. 

Geladeira e aquecedor 

Normalmente, você não gostaria de combinar uma geladeira com um aquecedor. "Combinar um motor térmico tradicional com um refrigerador o tornaria uma máquina completamente inútil. Ele não saberia o que fazer," comenta Ono. 

Mas as coisas são diferentes quando você encolhe as coisas. Por exemplo, em nanoescala um refrigerador/aquecedor pode ser útil para alternar rapidamente entre as duas funções, em um chip de computação quântica, por exemplo. 

Em uma geladeira normal, como a que você tem em casa, há uma troca de calor entre dois volumes de fluido: Comprimir um deles faz com que ele aqueça, enquanto forçar o outro a se expandir faz com que ele esfrie. Se essas operações forem feitas em um ciclo periódico, os dois volumes de fluido trocarão energia e o sistema pode ser usado como uma máquina de calor ou como uma geladeira. 

No nanomotor, esse processo é feito aumentando ou diminuindo o hiato entre os níveis de energia internos de um elétron em um transístor. O elétron tem dois estados de energia possíveis, sendo que a lacuna entre esses dois estados de energia pode ser controlada aplicando um campo elétrico e micro-ondas. "Isso pode ser análogo à operação periódica de expansão-compressão de um fluido em uma câmara," disse Ono. 

Geladeira quântica 

Os ciclos desse nanodispositivo podem ser medidos porque o sistema "modula" as micro-ondas quando o elétron muda de nível de energia. E as micro-ondas reemitidas quando o elétron passa de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo são diferentes das micro-ondas reemitidas quando o elétron passa de um nível de energia mais baixo para um nível de energia mais alto. Isso permite definir claramente quando o aparato está funcionando como geladeira ou como aquecedor. 

Mas foi aí que veio a surpresa: A nanomáquina pode funcionar como geladeira e como aquecedor ao mesmo tempo, o que pode ser detectado na forma de um padrão de interferência de micro-ondas - o padrão de interferência é uma mescla das energias emitidas quando o dispositivo está aquecendo e daquelas emitidas quando ele está resfriando. 

"Houve uma correspondência quase perfeita entre o padrão de interferência experimental e o previsto pela teoria," disse Ono. "Isso pode permitir uma mudança rápida entre os dois modos de operação. Essa capacidade pode ajudar a criar novas aplicações com esses sistemas no futuro." 

Bibliografia: 
 
Artigo: Analog of a Quantum Heat Engine Using a Single-Spin Qubit 
Autores: Keiji Ono, S. N. Shevchenko, T. Mori, S. Moriyama, and Franco Nori 
Revista: Physical Review Letters 
Vol.: 125, 166802 
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.166802