O que conta como calor e o que se qualifica como trabalho útil, quando uma máquina consiste apenas em átomos e partículas de luz? Nas tecnologias quânticas emergentes, tais questões reúnem dois ramos da física que foram 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 no mesmo ambiente.
A termodinâmica surgiu no século XIX em grande parte 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. No entanto, hoje, os dois campos se sobrepõem cada vez mais. Pequenos sistemas feitos de átomos e partículas de luz (fótons) podem captar energia, convertê-la e liberá-la, permitindo-lhes atuar como máquinas quânticas microscópicas.
Um grande desafio é encontrar uma descrição que permaneça válida mesmo quando todo o sistema é tratado mecanicamente quântica e no limite semiclássico. Este último é o caso limite em que uma parte do sistema é tratada mecanicamente quântica, enquanto a física clássica é adequada para a outra parte. Pesquisadores do grupo do professor Patrick Potts da Universidade de Basileia apresentaram agora tal abordagem. artigo de revisão física.
Um minúsculo motor de luz quântica
“Nossos cálculos consideram um modelo físico sólido de um átomo que é colocado em uma cavidade entre dois espelhos, onde pode absorver e emitir partículas de luz”, diz o pós-doutorado Marcelo Janovich. Nesta configuração, um laser fornece continuamente fótons adicionais para a cavidade, enquanto parte da luz escapa através de espelhos parcialmente refletores.
“Este é um exemplo clássico do chamado sistema dissipativo acionado 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 investigar questões fundamentais relacionadas aos sistemas quânticos abertos. Neste caso, o átomo se comporta como uma máquina térmica em miniatura, ou mais especificamente, uma “máquina leve”.
Potts e colegas já haviam mostrado que os fótons que saem da cavidade não deveriam ser automaticamente tratados como “calor residual” na descrição termodinâmica. Parte da energia capturada por essa luz que escapou ainda pode ser usada para realizar trabalhos úteis em outro sistema quântico.
O seu último estudo investigou o que acontece com esta diferença entre calor e energia útil quando o sistema atinge o limite semiclássico.
separando a energia útil do calor
No limite semiclássico, o átomo dentro da cavidade é tratado como um sistema quântico com níveis de energia distintos. No entanto, a luz é tratada como 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 definir que parte da energia pode ser usada para realizar trabalho e que parte é calor dissipado”, diz Janovich. Para que a teoria seja consistente, este comportamento limitante clássico deve emergir naturalmente da descrição completa da termodinâmica quântica.
Janovich e seus colegas demonstraram agora matematicamente que isso é possível com a sua abordagem. Quando a porção de luz emitida é classificada como trabalho útil, a teoria move-se suavemente para o limite semiclássico.
A abordagem tradicional produz um resultado diferente. Se toda a energia que sai da cavidade for contada como calor, a teoria não faz a mesma transição coerente.
Flutuações quânticas tornam-se um recurso
Os pesquisadores também descobriram que seus cálculos descrevem corretamente como os efeitos quânticos podem amortecer as flutuações nas partículas de luz emitidas.
Estas flutuações reduzidas podem ser particularmente valiosas para as tecnologias quânticas. O calor muitas vezes cria perturbações que tornam os sistemas quânticos difíceis de controlar, mas, nas circunstâncias certas, pode tornar-se um recurso útil.
Por exemplo, o efeito pode ajudar a gerar estados especiais de luz que são particularmente úteis para medições precisas em metrologia quântica. As descobertas mostram como uma melhor compreensão da fronteira entre o calor e o trabalho útil pode ajudar os investigadores a tirar partido da energia que, de outra forma, poderia parecer perdida.
