Em 1798, o oficial do exército e físico Benjamin Thompson, também conhecido como Conde Rumford, fez uma observação simples, mas poderosa, enquanto observava a perfuração de canos de armas em Munique. O metal aqueceu no processo, levando-o a concluir que o calor não era uma substância física. Em vez disso, pode ser produzido continuamente através de fricção mecânica.
Para testar a ideia, Rumford colocou o cano do canhão na água e cronometrou quanto tempo levava para a água ferver. Suas medições mostraram que o exercício por si só pode gerar grandes quantidades de calor. Esses experimentos lançaram as bases para a termodinâmica no século XIX. Inicialmente, este novo campo desempenhou um papel fundamental na Revolução Industrial, explicando como converter eficientemente o calor em trabalho útil, como alimentar motores a vapor.
Leis Fundamentais de Energia e Desordem
Hoje, as leis da termodinâmica são conhecimentos básicos para os cientistas. Eles salientaram que num sistema fechado, a quantidade total de energia permanece a mesma, quer seja expressa como calor ou trabalho. Eles também descrevem a entropia, uma medida de desordem que nunca diminui com o tempo.
Embora estes princípios sejam verdadeiros na vida quotidiana, 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.
Desafio quântico para a física clássica
Pesquisadores da Universidade de Basileia, liderados pelo professor Patrick Potts, desenvolveram um novo método para definir as quantidades termodinâmicas de certos sistemas quânticos. Suas descobertas foram publicadas recentemente na revista Science Cartas de revisão física.
“O problema que temos com as descrições termodinâmicas de sistemas quânticos é que em tais sistemas tudo é microscópico. Isto significa que a distinção entre trabalho (energia macroscópica útil) e calor ou movimento microscópico desordenado não é mais simples, “explica o estudante de doutorado Aaron Daniel.
Laser dentro da 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 do laser salte para frente e para trás antes que parte dela escape.
Um laser difere da luz produzida por uma lâmpada ou LED porque suas ondas eletromagnéticas se movem em perfeita sincronia. Essa sincronização, chamada coerência, pode ser interrompida quando a luz do laser passa por uma cavidade cheia de átomos. Como resultado, a luz pode tornar-se parcial ou completamente incoerente (isto corresponde ao movimento desordenado das partículas). “A coerência da luz neste sistema de cavidades laser foi o ponto de partida para os nossos cálculos”, disse Max Schrauwen, um estudante de graduação envolvido no estudo.
trabalho de continuidade
Os pesquisadores primeiro esclareceram o significado do “trabalho” da luz laser. Um exemplo é a capacidade de carregar as chamadas baterias quânticas, que requerem luz coerente para empurrar coletivamente os átomos para estados excitados. Uma suposição simples é que a luz coerente que entra funciona, enquanto a luz que sai, que perdeu alguma coerência, representa calor.
Mas a situação é mais sutil. Mesmo a luz parcialmente incoerente ainda pode realizar um trabalho útil, mas não tão eficientemente quanto a luz totalmente coerente. Daniel e os seus colegas estudaram o que aconteceria se apenas a parte coerente da luz emitida fosse contada como trabalho e a parte incoerente fosse tratada como calor. De acordo com esta definição, ambas as leis da termodinâmica permanecem válidas, indicando que a estrutura é autoconsistente.
Impacto na tecnologia quântica
“No futuro, poderemos usar o formalismo para considerar questões mais sutis na termodinâmica quântica”, disse Daniel. Esta abordagem pode ser valiosa para tecnologias quânticas emergentes, incluindo redes quânticas. Também poderia ajudar os cientistas a compreender melhor como comportamentos clássicos familiares emergem do mundo quântico subjacente.
