Em 1798, o oficial e físico Benjamin Thompson (também conhecido como Conde Rumford) fez uma observação simples, mas poderosa, enquanto observava os canhões sendo perfurados em Munique. O metal é constantemente aquecido durante o processo, o que o leva a concluir que o calor não é uma substância física. Em vez disso, pode ser produzido continuamente através de fricção mecânica.
Para testar essa ideia, Rumford colocou canos de canhão na água e determinou quanto tempo levava para a água ferver. Suas medições mostram que o movimento por si só pode gerar grandes quantidades de calor. Tais experimentos lançaram as bases da termodinâmica no século XIX. No início, este novo campo desempenhou um papel importante na Revolução Industrial, explicando como converter calor 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. Dizem que num sistema fechado, a quantidade total de energia permanece a mesma, quer apareça 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 sejam verdadeiros em situações quotidianas, surgem problemas quando os cientistas tentam aplicá-los a sistemas extremamente pequenos governados pela física quântica. Nessa escala, os conceitos familiares de 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 um novo método para definir quantidades termodinâmicas para certos sistemas quânticos. Seus resultados foram publicados recentemente em uma revista científica Carta de revisão física.
“O problema que temos com a descrição termodinâmica de sistemas quânticos é que nesses sistemas tudo é microscópico. Isso significa que a distinção entre trabalho, que é energia macroscópica útil, e calor, ou distorção microscópica de movimento, não é mais direta, “explica o estudante de doutorado Aaron Daniel.
Luz laser em uma cavidade
Para explorar esse desafio, 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 alguma escape.
A luz laser difere da luz produzida por lâmpadas ou LEDs porque suas ondas eletromagnéticas funcionam em perfeita sincronia. Quando a luz do laser viaja 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 distorcido das partículas). “A coerência da luz neste tipo de sistema de cavidade laser foi o ponto de partida para os nossos cálculos”, disse Max Schrauen, um estudante de pós-graduação envolvido na pesquisa.
Trabalho por coordenação
Os pesquisadores começaram esclarecendo 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 estados excitados. Uma suposição simples poderia ser que a luz coerente que entra faz o trabalho, enquanto a luz que sai, com alguma coerência perdida, representa o calor.
Mas a situação é mais sutil. Mesmo a luz que se tornou parcialmente incoerente pode funcionar de forma menos eficaz do que a luz totalmente coerente. Daniel e os seus colegas verificaram que se apenas a parte coerente da luz emitida for contada como trabalho, a parte incoerente será contada como calor. Com esta definição, ambas as leis da termodinâmica permanecem válidas, mostrando que a estrutura é autoconsistente.
Implicações da tecnologia quântica
“No futuro, poderemos usar o nosso formalismo para considerar problemas mais sutis na termodinâmica quântica”, disse Daniel. Esta abordagem pode ser valiosa para tecnologias quânticas emergentes, incluindo redes quânticas. Isto poderia ajudar os cientistas a compreender melhor como o comportamento clássico familiar emerge do mundo quântico subjacente.
