Em 1798, o oficial e físico Benjamin Thompson (também conhecido como Conde de Rumford) fez uma observação simples, mas poderosa, enquanto observava a perfuração de canos de canhão em Munique. O metal foi aquecido continuamente durante o processo, levando-o a concluir que o calor não é uma substância física. Em vez disso, pode ser produzido indefinidamente por atrito mecânico.
Para testar essa ideia, Rumford colocou canos de canhão na água e cronometrou quanto tempo levava para a água ferver. Suas medições mostraram que o movimento por si só poderia gerar uma grande quantidade de calor. Tais experimentos lançaram as bases da termodinâmica no século XIX. No início, este novo campo desempenhou um papel fundamental na Revolução Industrial, explicando como o calor poderia ser convertido de forma eficiente em trabalho útil, como alimentar motores a vapor.
Leis básicas de energia e desordem
Hoje, as leis da termodinâmica são conhecimentos fundamentais para os cientistas. Eles argumentam que num sistema fechado, a quantidade total de energia permanece a mesma, seja na forma de calor ou de trabalho. Eles também descrevem a entropia, uma medida de desordem que nunca diminui com o tempo.
Embora estes princípios funcionem em situações quotidianas, surgem problemas quando os cientistas tentam aplicá-los a sistemas extremamente pequenos governados pela física quântica. Nessa escala, ideias familiares sobre calor e trabalho começam a se confundir.
Um desafio quântico para a física clássica
Pesquisadores da Universidade de Basileia, liderados pelo professor Patrick Potts, desenvolveram uma nova abordagem para determinar quantidades termodinâmicas para certos sistemas quânticos. Seus resultados foram publicados recentemente em uma revista científica Revisão de planilhas físicas.
“O problema que temos com a descrição termodinâmica dos sistemas quânticos é que em tais sistemas tudo é microscópico. Isto significa que a distinção entre trabalho, que é energia macroscópica útil, e calor, ou movimento microscópico desordenado, já não é simples, “explica o estudante de doutoramento Aaron Daniel.
Luz laser na cavidade
Para investigar este problema, a equipe estudou ressonadores de cavidade. Esses sistemas prendem a luz do laser entre dois espelhos, fazendo com que a luz salte para frente e para trás antes que parte dela escape.
A luz laser difere das lâmpadas ou LEDs porque suas ondas eletromagnéticas se movem em completa sincronização. Quando a luz laser passa através de uma cavidade cheia de átomos, esta sincronização, conhecida como coerência, pode ser interrompida. Como resultado, a luz pode tornar-se parcial ou completamente incoerente (correspondendo ao movimento aleatório das partículas). “A coerência da luz nesse sistema de cavidades de laser foi o ponto de partida dos nossos cálculos”, diz Max Schrauven, estudante de bacharelado que participou do estudo.
Trabalhar por acordo
Os pesquisadores começaram descobrindo o que “trabalho” significava para a luz laser. Um exemplo é a capacidade de carregar a chamada bateria quântica, que requer luz coerente que pode empurrar coletivamente os átomos para um estado excitado. Uma suposição simples seria que a luz coerente de entrada funciona e a luz de saída, tendo perdido alguma coerência, representa calor.
Mas a situação é mais sutil. Mesmo a luz que se tornou parcialmente incoerente ainda pode realizar um trabalho útil, apenas com menos eficiência do que a luz totalmente coerente. Daniel e seus colegas estudaram o que acontece quando apenas a parte coerente da luz emitida é considerada trabalho e a parte incoerente é tratada como calor. Com esta definição, ambas as leis da termodinâmica permanecem válidas, mostrando que a estrutura é autoconsistente.
Implicações para a tecnologia quântica
“No futuro, poderemos usar o nosso formalismo para resolver problemas mais subtis da termodinâmica quântica”, diz Daniel. Esta abordagem pode ser valiosa para tecnologias quânticas emergentes, incluindo redes quânticas. Também poderia ajudar os cientistas a compreender melhor como o comportamento clássico familiar emerge do mundo quântico subjacente.
