Dois físicos da Universidade de Stuttgart demonstraram que o princípio de Carnot, uma regra fundamental da termodinâmica, não se aplica completamente na escala atômica quando partículas estão fisicamente vinculadas (objetos correlacionados). As suas descobertas sugerem que esse limite de eficiência, que perdurou por tanto tempo, se quebra para sistemas minúsculos governados por efeitos quânticos. O trabalho pode ajudar a acelerar o progresso em direção a motores quânticos extremamente pequenos e eficientes em termos de energia. A equipe publicou sua prova matemática na revista Science Advances.
Motores térmicos tradicionais, como motores de combustão interna e turbinas a vapor, funcionam convertendo energia térmica em movimento mecânico, ou simplesmente transformando calor em movimento. Nos últimos anos, os avanços na mecânica quântica permitiram que pesquisadores reduzissem motores térmicos para dimensões microscópicas.
“Motores minúsculos, não maiores do que um único átomo, podem se tornar uma realidade no futuro,” afirma o Professor Eric Lutz do Instituto de Física Teórica I da Universidade de Stuttgart. “Agora está claro que esses motores podem alcançar uma eficiência máxima mais alta do que motores térmicos maiores.”
O Professor Lutz e o Dr. Milton Aguilar, um pesquisador de pós-doutorado no mesmo instituto, descrevem a física por trás desse surpreendente resultado em seu artigo na Science Advances. Em uma entrevista com três perguntas, eles explicam o que descobriram e por que isso é importante.
Repensando um Limite de Eficiência de 200 Anos
Quase dois séculos atrás, o físico francês Sadi Carnot estabeleceu a eficiência máxima teórica que qualquer motor térmico pode alcançar. O princípio de Carnot, que mais tarde se tornou parte da segunda lei da termodinâmica, foi formulado para sistemas em grande escala, como turbinas a vapor.
Os pesquisadores de Stuttgart agora mostraram que esse princípio deve ser expandido quando aplicado a sistemas na escala atômica. Isso é especialmente verdadeiro para motores moleculares fortemente correlacionados, onde as partículas estão conectadas de maneira que não é levada em conta na termodinâmica clássica.
O Papel Oculto das Correlações Quânticas
O trabalho original de Carnot demonstrou que a eficiência depende das diferenças de temperatura, com lacunas maiores entre quente e frio levando a uma maior eficiência potencial. O que a formulação clássica não inclui é o efeito das correlações quânticas. Estas são conexões sutis que surgem entre partículas quando os sistemas se tornam extremamente pequenos.
Pela primeira vez, os pesquisadores derivaram leis termodinâmicas generalizadas que incorporam plenamente essas correlações. Seus resultados revelam que máquinas térmicas em escala atômica podem converter não apenas calor em trabalho, mas também as correlações quânticas em si. Devido a essa contribuição adicional, tais máquinas podem gerar mais trabalho do que a teoria clássica permite, o que significa que a eficiência de um motor quântico pode exceder o limite tradicional de Carnot.
O que Isso Significa para a Tecnologia Futura
Além de aprimorar a física fundamental, a pesquisa abre novas possibilidades para aplicações futuras. Uma compreensão mais profunda de como as leis físicas operam na nível atômico pode acelerar o desenvolvimento de tecnologias de próxima geração, incluindo motores quânticos ultra-pequenos e altamente eficientes, capazes de realizar tarefas de nanoscale com precisão.
Esses motores poderiam um dia alimentar nanobots médicos ou guiar máquinas que manipulam materiais átomo por átomo. A variedade de possíveis aplicações é vasta, destacando como a reavaliação de princípios científicos básicos pode levar a horizontes tecnológicos inteiramente novos.