A ideia de criação de uma máquina térmica quântica surgiu a partir de um estudo realizado por uma equipe de pesquisadores, da Universidade Federal do ABC (UFABC), coordenada pelo físico Roberto Serra. O experimento, considerado até então impossível, determinou a quantidade de energia que um núcleo atômico pode receber ou doar, quando é atingido por um pulso de ondas de rádio.
A troca de energia entre o núcleo atômico e o pulso de ondas de rádio, segundo as novas experiências feitas no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, obedece às leis da física nunca testadas antes no universo subatômico. As leis termodinâmicas aplicadas aos fenômenos físicos e químicos ideais estabelecem relações baseadas, geralmente, em sistemas isolados e que estão em equilíbrio. Entretanto, na prática, a realização de experimentos em sistemas isolados é praticamente inacessível, fato que levou o físico-químico Christopher Jarzynski a descobrir, em 1997, uma expressão matemática capaz de calcular as variações de energia e de trabalho mecânico que acontecem fora do equilíbrio, em sistemas não-isolados.
Serra com o intuito de descobrir se equações, como a de Jarzinsky, valeriam no mundo subatômico aplicou-as nos resultados obtidos em um experimento, no qual incidia pulsos de onda de rádio sobre uma solução pura de clorofórmio diluída em água. A análise dos spins dos núcleos de hidrogênio das moléculas de clorofórmio foi realizada, para saber o que acontece com os spins dos átomos de carbono enquanto realizam trabalho, sem interferir no processo.
A precisão do experimento foi suficiente para registrar variações de temperatura nos spins de carbono da ordem de bilionésimos de graus e verificar que a equação de Jarzinsky vale na escala subatômica. Outro resultado interessante: os spins de carbono possuem uma tendência maior de extrair energia das ondas de rádio quando a amplitude do pulso de onda é reduzida. A tendência se inverte quando a amplitude de onda é aumentada: os spins tendem a transferir energia para as ondas – ou seja, fazer trabalho sobre as ondas.
“Podemos explorar essa diferença para criar uma máquina térmica quântica”, disse Serra. A máquina funcionaria alternando pulsos de amplitude reduzida e aumentada entre dois estados de equilíbrio térmico, cada um com uma temperatura diferente. A máquina de spins teria pouca utilidade: o trabalho produzido forneceria uma energia ínfima para as ondas de rádio, apenas suficiente para mexer o spin de um núcleo atômico qualquer. Serra está mais interessado em medir quanta energia ela gasta e quanto calor ela dissipa durante seu funcionamento.
“A técnica aplicada nesse experimento tem grande potencial”, disse o físico Lucas Céleri, da Universidade Federal de Goiás, que planeja observar a termodinâmica de uma única partícula de luz em parceria com os físicos Paulo Souto Ribeiro e Stephen Walborn, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, no começo do ano que vem. “Avanços experimentais são muito raros na termodinâmica quântica, devido à necessidade de controlar o sistema quântico e seu isolamento do ambiente.”
Referências:
Disponível em: <http://revistapesquisa.fapesp.br/2014/12/29/maquinas-de-spins/> Acesso em: 13 mar. 2015.
BATALHÃO, T. B. et al. Experimental reconstruction of work distribution and study of fluctuation relations in a closed quantum system. Physical Review Letters. 113 (14).