Muitos sistemas quânticos, como átomos e moléculas, sofrem processos que são reversíveis em geral. Mas nem todo sistema quântico se comporta dessa maneira. Em um trabalho publicado dia 17 de outubro na revista Physical Review Letters, uma equipe internacional liderada pelo físico Mauro Paternostro, da Queen’s University, em Belfast, Irlanda, observou objetos quânticos de tamanho mesoscópico — um tamanho intermediário entre o macro e o microscópico — sofrerem transformações impossíveis de serem revertidas espontaneamente.
Cálculos de dois brasileiros da equipe, os físicos Fernando Semião, da Universidade Federal do ABC (UFABC) e Gabriel Landi, da Universidade de São Paulo (USP), mostraram que essas transformações são irreversíveis porque aumentam a entropia dos objetos quânticos. Entropia é uma grandeza física que quantifica, entre outras coisas, quanta energia um sistema físico dissipa na forma de calor. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a energia de um sistema físico sempre flui espontaneamente de um volume com temperatura quente para outro mais frio, produzindo entropia. Quanto mais calor um sistema dissipa, mais difícil se torna reverter o sistema ao seu estado original. Esta é a primeira vez que físicos conseguem medir a entropia produzida por fenômenos puramente quânticos em objetos mesoscópicos.
Em um experimento realizado no laboratório dos físicos Nikolai Kiesel e Markus Aspelmeyer, na Universidade de Viena, Áustria, os pesquisadores observaram partículas de luz, os fótons, presas dentro de uma pequena cavidade espelhada. Uma das paredes da cavidade era um espelho extremamente sensível e leve, com bilionésimos de grama, capaz de vibrar quanticamente quando atingida por fótons. Landi e Semião mostraram que a entropia na cavidade aumentava à medida que as vibrações quânticas do espelho diminuíam de amplitude. A conclusão pode ajudar a melhorar experimentos com osciladores mecânicos resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. O objetivo final desses experimentos é um dia observar um objeto mesoscópico em um estado de superposição quântica, realizando na prática o famoso experimento mental do gato de Schrödinger.
Membros da equipe dos pesquisadores Tilman Esslinger e Tobias Donner, no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça, realizaram mais um experimento de medida de entropia quântica. Aprisionaram dentro de uma cavidade óptica uma nuvem de 100 mil átomos de rubídio aglomerados formando um objeto quântico conhecido como condensado de Bose-Einstein. A entropia do condensado aumentou quando a distribuição espacial de seus átomos passou por uma transição de fase.
Landi explica que calcular a produção de entropia de processos quânticos irreversíveis pode ajudar a entender como esses processos podem contribuir para refrigerar futuros dispositivos nanotecnológicos ou computadores quânticos, tornando o funcionamento dessas máquinas quânticas mais eficiente.
Contato para imprensa
Igor Zolnerkevic
Assessor de comunicação
comunicacao@sbfisica.org.br
Artigo científico
Experimental Determination of Irreversible Entropy Production in out-of-Equilibrium Mesoscopic Quantum Systems
M. Brunelli, L. Fusco, R. Landig, W. Wieczorek, J. Hoelscher-Obermaier, G. Landi, F. L. Semião, A. Ferraro, N. Kiesel, T. Donner, G. De Chiara, and M. Paternostro, Phys. Rev. Lett. 121, 160604 (2018)