Experimentos mostram entropia e seta do tempo em sistemas quânticos

Com informações da Agência Fapesp - 08/01/2019

Para entender como se dá a transição do mundo quântico para o mundo clássico dois osciladores harmônicos são colocados em contato com dois banhos térmicos a temperaturas diferentes, criando uma corrente de calor do reservatório mais quente para o mais frio, o que caracteriza um comportamento irreversível. Os experimentos estudados neste trabalho foram escolhidos por se assemelharem conceitualmente dessa situação simplificada.
[Imagem: 10.1103/PhysRevLett.121.160604]

Entropia no mundo quântico

A produção de entropia - isto é, o aumento do grau de desordem de um sistema - é uma tendência inexorável no mundo macroscópico, em decorrência da segunda lei da termodinâmica.

Isso faz com que os processos descritos pela física clássica sejam irreversíveis, impondo, por extensão, um sentido à linha do tempo.

Porém, tal tendência não vale, necessariamente, no mundo microscópico, regido pela mecânica quântica, cujas leis são reversíveis e onde não há um sentido preferencial no fluxo dos fenômenos - como a segunda Lei da Termodinâmica falha em nanoescala, os computadores quânticos poderão everter causa e efeito, por exemplo.

Saber em que ponto se dá a transição do cenário quântico para o cenário clássico e por que isso ocorre - ou, dito de outro modo, saber o que faz com que a produção de entropia passe a predominar - é um importante tema de pesquisa da ciência atual. Daí o interesse em estudar sistemas de dimensão intermediária, ou mesoscópicos - não tão pequenos quanto os átomos individuais, mas que ainda apresentem comportamentos quânticos bem caracterizados.

Um avanço importante nesta área foi obtido agora por uma equipe internacional com participação de pesquisadores brasileiros. "O que fizemos foi estudar dois sistemas: um condensado de Bose-Einstein, com 100 mil átomos, aprisionado dentro de uma cavidade; e uma cavidade optomecânica, capaz de aprisionar a luz entre dois espelhos", descreve o professor Gabriel Teixeira Landi, do Instituto de Física da USP.

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Interação entre matéria e luz

Muitas vezes referido como o "quinto estado da matéria" (sendo os quatro primeiros o sólido, o líquido, o gasoso e o plasma), o condensado de Bose-Einstein é obtido quando um conjunto de átomos tem sua temperatura resfriada quase ao zero absoluto. Nessas condições, as partículas já não possuem energia livre para se movimentar umas em relação às outras, e algumas delas passam a compartilhar os mesmos estados quânticos, tornando-se portanto indistinguíveis. Assim, obedecem à chamada estatística de Bose-Einstein, aplicada a partículas idênticas. No condensado, as partículas - átomos de rubídio, neste caso - se comportam como se fossem uma única partícula, uma espécie de superátomo.

Já a cavidade optomecânica é basicamente uma armadilha para capturar a luz. Neste experimento, um dos espelhos que compõem a armadilha era constituído por uma membrana nanométrica capaz de vibrar mecanicamente. Portanto, o experimento consistiu na interação da luz com vibrações mecânicas. Em ambos os sistemas, havia dois reservatórios, um quente e um frio, de modo que podia fluir calor de um para o outro.

"As duas situações apresentaram assinaturas de algo irreversível - e, por decorrência, mostraram o aumento de entropia. E mais: mostraram a irreversibilidade como consequência de efeitos quânticos. As experiências permitiram diferenciar claramente os efeitos clássicos das flutuações quânticas.

No âmbito de mecânica quântica, vários experimentos demonstraram como fazer o tempo andar para trás.
[Imagem: Kaonan Micadei et al. (2017)]

"Nos dois experimentos, as flutuações quânticas contribuíram para aumentar a irreversibilidade. Foi uma descoberta contraintuitiva. E não necessariamente é algo que possa ser generalizado. Ocorreu nestes dois casos. Mas pode não valer para outros. Eu enxergo esses dois trabalhos como um primeiro esforço para repensar a entropia nesse tipo de plataforma. Eles abrem espaço para novas experimentações, por exemplo, com um número menor de átomos de rubídio ou com cavidades optomecânicas ainda menores", disse Landi.

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Simuladores quânticos

Tanto o condensado de Bose-Einstein como a cavidade optomecânica compõem aquilo que tem sido chamado de "plataformas para simulação quântica".

Essas plataformas possibilitam contornar um grande obstáculo ao avanço do conhecimento porque há vários sistemas importantes na natureza para os quais, embora existam modelos descritivos consistentes, é impossível fazer previsões, devido à dificuldade dos cálculos.

O exemplo mais famoso é o da supercondutividade de alta temperatura. Até hoje não se entende como certos materiais podem exibir comportamento supercondutor na temperatura do nitrogênio líquido (-196°C, aproximadamente).

A ideia com essas novas plataformas é dispor de dispositivos quânticos que possam simular esses sistemas de forma controlada, eliminando todos os fatores complicadores, e focando apenas nos fenômenos mais simples de interesse.

"Essa ideia de simulação quântica é algo que está crescendo muito nos últimos anos, com simulações que vão de moléculas importantes em medicina a estruturas importantes em cosmologia," disse Landi.

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