Para construir uma máquina do tamanho de um átomo, você precisa de um mecânico quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/05/2020

Experimentos com um aparelho de átomo único ajudam a entender quais efeitos quânticos entram em cena quando as máquinas diminuem para a escala atômica.
[Imagem: Aki Honda/Centre for Quantum Technologies/NUS]

Motor atômico

Em um novo capítulo na história da miniaturização das máquinas, físicos mostraram que um único átomo pode funcionar ou como um motor, ou como uma geladeira.

Esse dispositivo poderá ser usado em futuros computadores e células de combustível para controlar fluxos de energia, extrair o calor de nanomáquinas, de computadores quânticos ou mesmo dos processadores tradicionais.

Os pesquisadores estudaram a termodinâmica de um único átomo de bário. Lasers movem um dos elétrons do átomo entre dois níveis de energia, como parte de um ciclo de quatro estágios, fazendo com que alguma energia seja transferida para as vibrações do átomo.

Do mesmo modo que um motor de carro consome gasolina para mover os pistões, o átomo usa a energia dos lasers como combustível para aumentar seu movimento vibratório, o que o faz funcionar como um motor que pode ser acelerado e desacelerado.

As vibrações do átomo, por sua vez, agem como uma bateria, armazenando energia que pode ser extraída posteriormente. Assim, basta reorganizar o ciclo e o átomo age como uma geladeira, removendo a energia das vibrações e fazendo o átomo esfriar, e esfriar muito - os físicos brincam que uma geladeira quântica pode fazer gelo absoluto, em referência às temperaturas próximas ao zero absoluto.

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Ergotropia e entropia

Descrever detalhadamente como a "máquina atômica" funciona envolveu cálculos e observações complicadas. A equipe precisou rastrear duas quantidades termodinâmicas conhecidas como ergotropia, que é a energia que pode ser convertida em trabalho útil, e a entropia, relacionada à desordem no sistema.

Tanto a ergotropia quanto a entropia aumentam à medida que a máquina-átomo funciona.

"Grosseiramente falando, projetamos uma pequena máquina que cria entropia conforme ela enche o tanque com energia livre, de forma muito parecida com as crianças [ganhando energia] quando comem muito doce," brincou o físico Noah Van Horne, da Universidade Nacional de Cingapura.

Máquinas atômicas conhecidas como Demônio de Maxwell, fazem sua própria Lei da Termodinâmica.
[Imagem: APS/PRL]

Termodinâmica atômica

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 desse sistema. Um motor comum transforma energia em trabalho útil, enquanto um refrigerador transfere calor, reduzindo a temperatura local. Assim, em certo sentido um é o oposto do outro.

A termodinâmica atômica costuma dar resultados mais bizarros, mas funciona igualmente, embora pareça haver várias Segundas Leis da Termodinâmica em nanoescala.

Várias equipes já criaram pequenos motores térmicos usando um único átomo, uma única molécula e até defeitos no diamante. Da mesma forma, a refrigeração óptica está ajudando a resfriar átomos em vários tipos de experimentos quânticos.

A diferença aqui é que o dispositivo motor/refrigerador mostra sua "quanticidade" em ação, elucidando vários aspectos do funcionamento dessas nanomáquinas, cuja mecânica está longe de ser totalmente compreendida.

"Nós 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 fazer," disse o professor Manas Mukherjee.

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