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.
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.
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”.
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.
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.
Pesquisadores da Universidade de Southampton e da Universidade Nacional de Singapura apresentaram um método para criar heterostructures bidimensionais sem o uso de polímeros, tradicionalmente empregados neste processo. Os resultados deste estudo foram publicados na revista Nature Communications.
A abordagem proposta substitui materiais adesivos sintéticos por cristais naturais de muscovita, que é um tipo de mica. Isso permite reduzir a contaminação microscópica, que geralmente degrada a qualidade das estruturas compostas por camadas de poucos átomos.
Este avanço tem o potencial de aumentar a precisão das pesquisas que utilizam materiais quânticos e acelerar o desenvolvimento de componentes eletrônicos mais confiáveis. A pureza das superfícies foi reconhecida como um fator decisivo para o desempenho desses dispositivos.
A produção de materiais bidimensionais depende do empilhamento de camadas atômicas extremamente finas. Nos métodos padrão para esta montagem, são usados polímeros sintéticos que deixam resíduos microscópicos, alterando o comportamento eletrônico das estruturas. Para contornar esse problema, a equipe utilizou muscovita, um mineral conhecido como mica.
Segundo os pesquisadores, como a muscovita é um cristal inorgânico, ela proporciona uma superfície mais uniforme e reduz significativamente a quantidade de contaminantes durante a montagem das heterostructures. O trabalho também demonstrou que essa substituição permite posicionar as camadas atômicas com maior precisão. Esse controle é importante, pois alguns materiais bidimensionais adquirem propriedades completamente diferentes ao serem empilhados em ângulos específicos.
O autor principal do estudo, Marcus Shishkin, professor de física experimental da Universidade de Southampton, enfatizou que tal nível de precisão é crítico para pesquisas em materiais quânticos. Ele afirmou que quando materiais bidimensionais, como grafeno e nitreto de boro hexagonal, são empilhados em estruturas com ângulos controlados entre as camadas, eles começam a exibir propriedades totalmente novas.
O pesquisador explicou que pequenas quantidades de contaminação podem distorcer os resultados dos experimentos, portanto, um processo mais limpo expande as possibilidades de investigação científica. Ele também observou que o novo método simplifica a fabricação das estruturas e reduz os custos do processo.
Segundo Shishkin, a melhoria dos métodos de fabricação livres de contaminação é um passo importante para a criação de componentes nanoeletrônicos mais eficientes e, no futuro, microcircuitos de maior velocidade e confiabilidade.
Alexei Berdyugin, professor da Universidade Nacional de Singapura e coautor do estudo, observou que a criação de pilhas atômicas sem impurezas continua sendo um dos maiores desafios da nanotecnologia. Ele acrescentou que, como a mica é um cristal inorgânico e não um polímero macio, ela evita muitos problemas de contaminação inerentes aos métodos tradicionais.
De acordo com Berdyugin, este método garante superfícies ultra-limpas, permitindo que os componentes eletrônicos operem em sua máxima performance. O pesquisador acredita que essa característica pode abrir caminho tanto para pesquisas fundamentais quanto para futuras aplicações de tecnologias quânticas.
