Em 1798, o oficial e físico Benjamin Thompson (também conhecido como Conde Rumford) fez uma observação simples, mas poderosa, enquanto assistia ao processo de perfuração de canhões em Munique. O metal aquecia-se continuamente durante o processo, levando-o a concluir que o calor não é uma substância física. Em vez disso, ele pode ser produzido infinitamente através do atrito mecânico.
Para testar essa ideia, Rumford colocou os canhões em água e cronometró quanto tempo levaria para a água ferver. Suas medições mostraram que o movimento por si só poderia gerar grandes quantidades de calor. Experimentos como esses estabeleceram as bases para a termodinâmica no século XIX. Inicialmente, esse novo campo desempenhou um papel fundamental na Revolução Industrial ao explicar como o calor poderia ser convertido de forma eficiente em trabalho útil, como o acionamento de máquinas a vapor.
As Leis Fundamentais da Energia e do Desordem
Hoje, as leis da termodinâmica são um conhecimento fundamental para os cientistas. Elas afirmam que em um sistema fechado, a quantidade total de energia permanece a mesma, seja na forma de calor ou trabalho. Elas também descrevem a entropia, uma medida de desordem, que nunca diminui ao longo do tempo.
Embora esses princípios sejam válidos em situações cotidianas, problemas surgem quando os cientistas tentam aplicá-los a sistemas extremamente pequenos regidos pela física quântica. Nessa escala, as ideias familiares sobre calor e trabalho começam a se confundir.
Um Desafio Quântico à Física Clássica
Pesquisadores da Universidade de Basileia, liderados pelo Professor Patrick Potts, desenvolveram uma nova abordagem para definir quantidades termodinâmicas para certos sistemas quânticos. Seus achados foram recentemente publicados na revista científica Physical Review Letters.
“O problema que temos com a descrição termodinâmica de sistemas quânticos é que, nesses sistemas, tudo é microscópico. Isso significa que a distinção entre trabalho, que é uma forma de energia macroscópica útil, e calor, ou movimento microscópico desordenado, não é mais direta,” explica o estudante de doutorado Aaron Daniel.
Luz de Laser em uma Cavidade
Para explorar esse desafio, a equipe estudou ressonadores de cavidade. Esses sistemas retêm a luz do laser entre dois espelhos, fazendo com que a luz se rebata de um lado para o outro antes que parte dela eventualmente escape.
A luz do laser difere da luz produzida por lâmpadas ou LEDs porque suas ondas eletromagnéticas se movem em perfeita sincronia. Quando a luz do laser passa por uma cavidade cheia de átomos, essa sincronização, conhecida como coerência, pode ser disruptada. Como resultado, a luz pode se tornar parcialmente ou totalmente incoerente (o que corresponde ao movimento desordenado das partículas). “A coerência da luz em um sistema de cavidade a laser foi o ponto de partida de nossos cálculos,” diz Max Schrauwen, um estudante de graduação envolvido no estudo.
Trabalho pela Coerência
Os pesquisadores começaram esclarecendo o que “trabalho” significa para a luz do laser. Um exemplo é a capacidade de carregar uma chamada bateria quântica, que requer luz coerente que possa coletivamente excitar átomos em um estado excitado. Uma suposição simples seria que a luz coerente que entra realiza trabalho, enquanto a luz que sai, tendo perdido parte da coerência, representa calor.
Mas a situação é mais sutil. Mesmo a luz que se tornou parcialmente incoerente ainda pode realizar trabalho útil, apenas de forma menos eficaz do que a luz totalmente coerente. Daniel e seus colegas examinaram o que acontece se apenas a porção coerente da luz que sai for contabilizada como trabalho, enquanto a porção incoerente for tratada como calor. Com essa definição, ambas as leis da termodinâmica permanecem válidas, mostrando que a estrutura é autossistente.
Implicações para a Tecnologia Quântica
“No futuro, podemos usar nossa formalização para considerar problemas mais sutis na termodinâmica quântica,” diz Daniel. Essa abordagem pode se revelar valiosa para as tecnologias quânticas emergentes, incluindo redes quânticas. Também pode ajudar os cientistas a entender melhor como o comportamento clássico familiar emerge do mundo quântico subjacente.
