O que conta como calor e o que se qualifica como trabalho útil quando uma máquina é feita apenas de átomos e partículas de luz? Nas tecnologias quânticas emergentes, questões como estas reúnem dois ramos da física desenvolvidos para propósitos muito diferentes. Pesquisadores da Universidade de Basileia, na Suíça, introduziram agora uma estrutura teórica projetada para fazer com que a termodinâmica e a física quântica funcionem consistentemente em um ambiente.
A termodinâmica surgiu no século XIX principalmente para explicar como grandes máquinas, como as máquinas a vapor, convertem e transferem energia. A física quântica, desenvolvida no início do século 20, concentra-se, em vez disso, em átomos e partículas subatômicas. Mas hoje estes dois campos estão cada vez mais sobrepostos. Pequenos sistemas feitos de átomos e partículas de luz (fótons) podem absorver energia, convertê-la e liberá-la, permitindo-lhes atuar como máquinas quânticas microscópicas.
Um grande desafio é encontrar uma descrição que permaneça válida tanto quando todo o sistema é considerado mecanicamente quântica quanto no limite semiclássico. O segundo caso é o caso limite onde uma parte do sistema é tratada mecanicamente quântica, enquanto a física clássica é suficiente para a outra parte. Agora, pesquisadores do grupo do professor Patrick Potts da Universidade de Basileia apresentaram tal abordagem Cartas de exame físico.
Um pequeno motor de luz quântica
“Nossos cálculos são um modelo físico do concreto atômico, que é colocado em uma cavidade entre dois espelhos, onde pode absorver e emitir partículas de luz”, diz Marcelo Janovic, pós-doutorado. Nesta configuração, um laser fornece continuamente fótons adicionais para a cavidade, enquanto parte da luz escapa através de espelhos semi-reflexivos.
“Este é um exemplo clássico de um sistema chamado de dissipação que recebe energia continuamente e ao mesmo tempo a perde para o meio ambiente”, diz o pesquisador. Este modelo dá aos físicos uma maneira de explorar questões fundamentais sobre sistemas quânticos abertos. Neste caso, o átomo se comporta como uma máquina térmica em miniatura ou, mais especificamente, como uma “máquina leve”.
Potts e colaboradores já haviam mostrado que os fótons que saem da cavidade não deveriam ser automaticamente considerados “calor residual” em uma descrição termodinâmica. Parte da energia transportada por essa luz descontrolada ainda pode ser usada para realizar trabalhos úteis em outro sistema quântico.
O seu último estudo investigou o que acontece com esta distinção entre calor e energia útil à medida que o sistema se aproxima do limite semiclássico.
Separação de energia útil do calor
No limite semiclássico, o átomo dentro da cavidade ainda é considerado um sistema quântico com níveis de energia discretos. No entanto, a luz é considerada uma onda eletromagnética clássica, o que significa que os seus efeitos quânticos podem ser ignorados.
“Tratar a luz de forma clássica torna muito mais fácil determinar qual parte da energia pode ser usada para realizar trabalho e qual parte é apenas calor aleatório”, diz Janovich. Para que a teoria seja consistente, este comportamento limitante clássico deve emergir naturalmente de uma descrição completa da termodinâmica quântica.
Janovich e seus colegas provaram agora matematicamente que isso é possível com sua abordagem. Quando uma fração da luz emitida é classificada como trabalho útil, a teoria move-se lentamente em direção ao limite semiclássico.
A abordagem convencional produz um resultado diferente. Se toda a energia que sai da cavidade for calculada como calor, a teoria não realiza a mesma constante de transferência.
Flutuações quânticas tornam-se uma fonte
Os investigadores também descobriram que os seus cálculos descrevem corretamente como os efeitos quânticos podem amortecer as flutuações nas partículas de luz emitidas.
Esta volatilidade reduzida pode ser especialmente valiosa para as tecnologias quânticas. O calor muitas vezes cria perturbações que tornam os sistemas quânticos mais difíceis de controlar, mas, nas condições certas, pode tornar-se um recurso útil.
Por exemplo, este efeito pode ajudar a produzir certos modos de luz que são úteis para medições particularmente precisas em metrologia quântica. As descobertas mostram como uma melhor compreensão da fronteira entre o calor e o trabalho útil poderia ajudar os investigadores a explorar energias que de outra forma poderiam parecer desperdiçadas.
