Pesquisadores das Universidades Normal de Qufu, de Hong Kong e de Palermo anunciaram o desenvolvimento de um motor quântico térmico. Este novo motor possui a capacidade de produzir tanto trabalho quanto refrigeração ao mesmo tempo. O estudo, que une evidências teóricas e experimentais do fenômeno, foi divulgado na revista Physical Review Letters.
Anomalia térmica e princípio clássico
O ponto de partida para esta descoberta foi a observação de um efeito térmico atípico: um sistema quântico que absorve calor de reservatórios térmicos mais frios. Este comportamento contradiz o princípio clássico estabelecido, segundo o qual o calor sempre se move espontaneamente de áreas mais quentes para mais frias até atingir o equilíbrio térmico, um princípio essencial para tecnologias como geladeiras e usinas de energia.
Mecanismo de ordem causal indefinida
Este fenômeno está intrinsecamente ligado ao conceito de ordem causal indefinida (ICO). Zhong-Xiao Man, coautor sênior, explicou ao Phys.org que a ICO possibilita que dois eventos existam em uma superposição de ordens. Na termodinâmica quântica, esses eventos são representados como canais de termalização que agem sobre um sistema através de um qubit de controle, gerando essa ordem indefinida.
Man acrescentou que pesquisas anteriores já haviam demonstrado que, mesmo utilizando canais em temperaturas iguais, o sistema não precisava se estabilizar nessa temperatura, o que representa um desvio significativo da termodinâmica convencional. Com isso, a equipe investigou o que acontece com o fluxo de calor quando o sistema e os canais possuem temperaturas distintas. Man declarou: “A ideia central do nosso artigo é que, no mundo quântico, dois processos térmicos podem ocorrer em uma superposição de ordens diferentes. Isso cria um fluxo de calor incomum, permitindo que o motor extraia energia de um ambiente mais frio de uma forma que não seria possível classicamente”.
Motor Otto quântico multifuncional
Baseado neste fluxo de calor anormal, os cientistas conceberam um motor Otto quântico, um aparato projetado para converter calor em energia utilizável. Ao contrário dos motores Otto tradicionais, este dispositivo opera um ciclo quântico que consegue gerar trabalho útil e fornecer refrigeração simultaneamente, algo que normalmente exigiria dois equipamentos separados. Tanto o fluxo anômalo quanto o motor foram testados experimentalmente em uma plataforma fotônica, e os resultados confirmaram totalmente as projeções teóricas da equipe.
Contribuições e aplicações futuras
Giulio Chiribella, outro coautor, ressaltou três avanços importantes do trabalho. Primeiramente, houve a identificação de uma nova modalidade de fluxo de calor anômalo, provando que a coerência quântica pode modificar drasticamente a troca de calor entre sistemas. Em segundo lugar, foi realizada a demonstração completa, tanto teórica quanto experimental, desses efeitos termodinâmicos não convencionais em uma plataforma fotônica. Por fim, comprovou-se que tais efeitos não são exclusivos da ordem causal indefinida, podendo ser replicados dentro de uma estrutura causal definida.
Embora o motor apresentado ainda seja apenas uma prova de conceito, os autores sugerem que o design e o fluxo de calor anômalo podem ser aplicados no desenvolvimento de tecnologias quânticas. Estas incluem o resfriamento de processadores quânticos, o gerenciamento de calor em sensores quânticos, bem como em dispositivos de imagem e nanoescala. Rosario Lo Franco, coautor sênior, indicou que futuras pesquisas devem focar em ir além dos ciclos termodinâmicos ideais, investigando implementações mais práticas onde todas as operações ocorrem em tempo limitado. Lo Franco observou que estudos recentes indicam que medições e controles em tempo finito podem introduzir trocas cruciais entre custo energético, ganho de informação e desempenho, e a equipe planeja entender como essas restrições impactam o motor proposto.