Geladeira ou aquecedor? Motor quântico esquenta e esfria ao mesmo tempo
As assinaturas são claras: o dispositivo pode estar esquentando ou esfriando - ou as duas coisas ao mesmo tempo. [Imagem: Keiji Ono et al] |
Superposição de quente e frio
O fenômeno da superposição
quântica estabelece que uma partícula pode estar em dois estados ao mesmo
tempo, ou em dois lugares simultaneamente - você só sabe o valor ou a posição
reais quando faz uma medição, o que faz a superposição colapsar e a partícula
assumir uma identidade ou uma posição definida.
Se você já está acostumado com
essa noção - bem demonstrada experimentalmente, é bom que se diga - então não
vai estranhar muito o feito de Keiji Ono e colegas do Instituto Riken, no
Japão.
Ono criou um nanodispositivo que
atua como um motor térmico, absorvendo calor ou liberando calor.
Isso significa que o
nanodispositivo pode funcionar tanto como uma minigeladeira, quanto como um
aquecedor.
Mas isso não é tudo: Com o toque
quântico adicional da superposição, ele pode na verdade resfriar e aquecer ao
mesmo tempo.
Geladeira e aquecedor
Normalmente, você não gostaria de
combinar uma geladeira com um aquecedor. "Combinar um motor térmico
tradicional com um refrigerador o tornaria uma máquina completamente inútil.
Ele não saberia o que fazer," comenta Ono.
Mas as coisas são diferentes
quando você encolhe as coisas. Por exemplo, em nanoescala um
refrigerador/aquecedor pode ser útil para alternar rapidamente entre as duas
funções, em um chip de computação quântica, por exemplo.
Em uma geladeira normal, como a
que você tem em casa, há uma troca de calor entre dois volumes de fluido:
Comprimir um deles faz com que ele aqueça, enquanto forçar o outro a se
expandir faz com que ele esfrie. Se essas operações forem feitas em um ciclo
periódico, os dois volumes de fluido trocarão energia e o sistema pode ser
usado como uma máquina de calor ou como uma geladeira.
No nanomotor, esse processo é
feito aumentando ou diminuindo o hiato entre os níveis de energia internos de
um elétron em um transístor. O elétron tem dois estados de energia possíveis,
sendo que a lacuna entre esses dois estados de energia pode ser controlada
aplicando um campo elétrico e micro-ondas. "Isso pode ser análogo à
operação periódica de expansão-compressão de um fluido em uma câmara,"
disse Ono.
Geladeira quântica
Os ciclos desse nanodispositivo
podem ser medidos porque o sistema "modula" as micro-ondas quando o
elétron muda de nível de energia. E as micro-ondas reemitidas quando o elétron
passa de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo são
diferentes das micro-ondas reemitidas quando o elétron passa de um nível de
energia mais baixo para um nível de energia mais alto. Isso permite definir
claramente quando o aparato está funcionando como geladeira ou como aquecedor.
Mas foi aí que veio a surpresa: A
nanomáquina pode funcionar como geladeira e como aquecedor ao mesmo tempo, o
que pode ser detectado na forma de um padrão de interferência de micro-ondas -
o padrão de interferência é uma mescla das energias emitidas quando o
dispositivo está aquecendo e daquelas emitidas quando ele está resfriando.
"Houve uma correspondência
quase perfeita entre o padrão de interferência experimental e o previsto pela
teoria," disse Ono. "Isso pode permitir uma mudança rápida entre os
dois modos de operação. Essa capacidade pode ajudar a criar novas aplicações
com esses sistemas no futuro."
Noticia: inovaçãotecnologica
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