Nanotecnologia

Demônio de Maxwell atômico faz sua própria Lei da Termodinâmica

Demônio de Maxwell atômico faz sua própria Lei da Termodinâmica
O papel da criaturinha que destrói a Segunda Lei da Termodinâmica é desempenhado por um único átomo de hidrogênio. [Imagem: Patrice A. Camati et al. - 10.1103/PhysRevLett.117.240502]

Termodinâmica fora do equilíbrio

Quando as coisas são muito miniaturizadas, a geração aleatória de calor passa a ser um dos principais obstáculos para o avanço da nanotecnologia.

À medida que os nanodispositivos se tornam cada vez menores e mais complexos, feitos com peças de tamanho comparável ao de moléculas ou até mesmo de átomos, eles têm um risco maior de gerar flutuações quânticas danosas durante seu funcionamento.

Essas flutuações são variações abruptas e imprevisíveis de energia, regidas pelas leis probabilísticas da mecânica quântica - variações pequenas, mas com potencial suficiente para danificar os nanomecanismos.

Um grupo de físicos brasileiros desenvolveu agora uma técnica capaz de atenuar a produção dessas flutuações de calor, baseando-se na chamada termodinâmica quântica fora do equilíbrio, um novo campo de pesquisa que poderá salvar o dia dos dispositivos nas escalas molecular e atômica - chips de computador, por exemplo.

Controle do calor

Para desenvolver uma nova técnica de controle, Patrice Serra e seus colegas se inspiraram no demônio de Maxwell, um ser imaginado pelo físico e matemático escocês James Clerk Maxwell (1831 - 1879).

No experimento mental, o ser controlava uma torneira separando dois recipientes iguais, ambos cheios de um gás inicialmente à mesma temperatura. Abrindo e fechando a porta, a criatura hipotética poderia ordenar as partículas do gás, passando a lentas e frias para um lado e dirigindo as rápidas e quentes para o outro lado da parede, criando uma diferença de temperatura. Como a criatura estaria então cometendo o pecado de violar a segunda lei da termodinâmica, o físico irlandês William Thomson (o Lorde Kelvin) batizou-a de demônio de Maxwell.

Desde então, pesquisadores já criaram em laboratório mecanismos semelhantes ao imaginado por Maxwell, cada vez menores, mas a equipe brasileira é a primeira a projetar um demônio de Maxwell completamente quântico, em nível atômico.

Demônio de Maxwell atômico faz sua própria Lei da Termodinâmica
Em artigo publicado em 1955 no American Journal of Physics, a figura imaginária controla o fluxo das moléculas de gás a partir do exterior dos recipientes. [Imagem: American Journal of Physics]

Demônio de Maxwell quântico

Em um laboratório do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, os pesquisadores dispararam um pulso de ondas eletromagnéticas contra uma solução de moléculas de clorofórmio (CHCl3), com o pulso precisamente ajustado para provocar flutuações na energia dos núcleos dos átomos de carbono das moléculas. Simultaneamente, ondas eletromagnéticas adicionais foram disparadas para ajustar a interação entre o núcleo de carbono de cada molécula com o seu núcleo de hidrogênio.

O controle dessas interações permitiu usar o núcleo de hidrogênio como um demônio de Maxwell que armazena informação sobre o estado do núcleo de carbono. Dependendo do nível de energia do núcleo de carbono, o núcleo de hidrogênio "entra em operação", restringindo as flutuações energéticas do vizinho.

A ação exercida pelos núcleos de hidrogênio faz com que as flutuações de energia dos núcleos de carbono aconteçam de maneira a produzir o mínimo de entropia possível.

Elétrons e fótons demoníacos

"Projetamos esse processo por meio de uma equação matemática que deduzimos, relacionando informação, entropia e energia. A equação é bem geral e poderá ser aplicada a qualquer sistema quântico, como elétrons e fótons, não apenas a núcleos atômicos," disse o professor Roberto Serra, da Universidade Federal do ABC (UFABC), coordenador da equipe.

"É um trabalho empolgante. Eles testaram uma fórmula que descreve a produção de entropia em sistemas quânticos em condições genéricas. Ainda não está claro por que a entropia do Universo precisa sempre aumentar e essa abordagem pode ajudar a entender as origens da segunda lei da termodinâmica," comentou o físico Vlatko Vedral, da Universidade de Oxford, na Inglaterra, que participou de um experimento realizado em 2016 no qual se usaram feixes de laser para produzir um demônio de Maxwell.

Bibliografia:

Experimental rectification of entropy production by a Maxwell's Demon in a quantum system
Patrice A. Camati, John P. S. Peterson, Tiago B. Batalhão, Kaonan Micadei, Alexandre M. Souza, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira, Roberto M. Serra
Physical Review Letters
Vol.: 10.1103/PhysRevLett.117.240502
DOI: 117, 240502
https://arxiv.org/abs/1605.08821




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