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."

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