Pesquisadores da Universidade Normal de Qufu (China), da Universidade de Hong Kong e da Universidade de Palermo (Itália) desenvolveram um motor quântico de calor capaz de produzir trabalho e refrigeração simultaneamente. O estudo foi publicado na Physical Review Letters e combina demonstração teórica e experimental do fenômeno.
Efeito Térmico Anômalo
O ponto de partida foi a observação de um efeito térmico anômalo: um sistema quântico absorvendo calor de reservatórios térmicos mais frios. Esse comportamento contraria o princípio clássico pelo qual o calor flui naturalmente de regiões mais quentes para regiões mais frias até que o equilíbrio térmico seja atingido.
Concepção de Ordem Causal Indefinida (ICO)
O fenômeno está ligado ao conceito de ordem causal indefinida (ICO, na sigla em inglês); conforme explicou ao Phys.org, Zhong-Xiao Man, coautor sênior do artigo, a ICO permite que dois eventos ocorram em uma superposição de ordens. Na termodinâmica quântica, esses eventos são modelados como canais de termalização que atuam sobre um sistema por meio de um qubit de controle, criando uma ordem indefinida.
Demonstração Experimental
Man afirmou que estudos anteriores já haviam mostrado que, mesmo com canais em temperaturas idênticas, o sistema não precisa equilibrar-se a essa temperatura, um desvio marcante em relação à termodinâmica padrão. A partir disso, a equipe investigou o que ocorre com o fluxo de calor quando o sistema e os canais partem de temperaturas diferentes.
Motor Otto Quântico
Com base no fluxo de calor anômalo identificado, os pesquisadores projetaram um motor Otto quântico, dispositivo que converte calor em trabalho útil. Diferentemente dos motores Otto convencionais, o dispositivo opera um ciclo Otto quântico que gera trabalho útil e fornece refrigeração ao mesmo tempo. Realizar as duas funções normalmente exigiria dois dispositivos separados e distintos.
Aplicações Possíveis
O motor apresentado no artigo ainda é uma prova de princípio. Os autores indicam que o design e o fluxo de calor anômalo relatados poderiam ser aproveitados no desenvolvimento de tecnologias quânticas voltadas ao resfriamento de processadores quânticos e ao gerenciamento de calor em sensores quânticos, tecnologias de imageamento e dispositivos em nanoescala.
Pesquisas Futuras
Rosario Lo Franco, coautor sênior do artigo, apontou uma direção para pesquisas futuras: ir além dos ciclos termodinâmicos idealizados e investigar implementações mais realistas, nas quais todas as operações ocorrem em tempo finito.
Conclusão
O motor apresentado no artigo ainda é uma prova de princípio. Os autores indicam que o design e o fluxo de calor anômalo relatados poderiam ser aproveitados no desenvolvimento de tecnologias quânticas voltadas ao resfriamento de processadores quânticos e ao gerenciamento de calor em sensores quânticos, tecnologias de imageamento e dispositivos em nanoescala. O motor apresentado ainda é uma prova de princípio, mas os pesquisadores já estão trabalhando em implementações mais realistas e em tecnologias quânticas avançadas.