Os físicos encontraram uma maneira de fazer a termodinâmica funcionar no mundo quântico

Para testar essa ideia, Rumford colocou os canos dos canhões na água e cronometrou quanto tempo levava para a água ferver. Suas medições mostraram que o movimento por si só poderia gerar grandes quantidades de calor. Experimentos como esses lançaram as bases para a termodinâmica no século XIX. No início, este novo campo desempenhou um papel fundamental na Revolução Industrial, explicando como o calor poderia ser convertido eficientemente em trabalho útil, como alimentar motores a vapor.

As Leis Fundamentais da Energia e da Desordem

Hoje, as leis da termodinâmica são conhecimentos fundamentais para os cientistas. Eles afirmam 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, 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 definir quantidades termodinâmicas para certos sistemas quânticos. Suas descobertas foram publicadas recentemente na revista científica Cartas de revisão física.

“O problema que temos com a descrição termodinâmica de sistemas quânticos é que em tais sistemas tudo é microscópico. Isso significa que a distinção entre trabalho, que é energia macroscópica útil, e calor, ou movimento microscópico desordenado, não é mais simples, “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 parte dela escape.

A luz laser difere da luz produzida por lâmpadas ou LEDs porque suas ondas eletromagnéticas se movem 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 totalmente incoerente (o que corresponde ao movimento desordenado das partículas). “A coerência da luz num sistema de cavidades de laser foi o ponto de partida dos nossos cálculos”, diz Max Schrauwen, um estudante de licenciatura envolvido no estudo.

Trabalho por Coerência

Os pesquisadores começaram esclarecendo o que “trabalho” significa 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 que entra realiza trabalho, enquanto a luz que sai, 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 eficácia do que a luz totalmente coerente. Daniel e seus colegas examinaram o que acontece se apenas a porção coerente da luz que sai for contada como trabalho, enquanto a porção incoerente for 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 considerar problemas mais subtis na termodinâmica quântica”, diz Daniel. Esta abordagem pode ser valiosa para tecnologias quânticas emergentes, incluindo redes quânticas. Também pode ajudar os cientistas a compreender melhor como o comportamento clássico familiar emerge do mundo quântico subjacente.