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Mecânica

Geladeira supercondutora chegará perto do zero absoluto

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/07/2019

Geladeira supercondutora chegará perto do zero absoluto
Em vez de um refrigerante que oscila entre os estados líquido e gasoso, o refrigerador quântico emparelha e desemparelha os pares de elétrons em materiais supercondutores.
[Imagem: Michael Osadciw/Universidade de Rochester]

Refrigerador definitivo

Imagine uma geladeira tão fria que possa levar átomos aos seus estados fundamentais, perto do zero absoluto.

Sreenath Manikandan e colegas dos EUA e da Itália conceberam um refrigerador com essa capacidade usando as propriedades da supercondutividade.

Eles batizaram o equipamento de "geladeira quântica" porque tanto as propriedades da supercondutividade utilizadas, quanto os efeitos gerados nos átomos individuais assim congelados, são ditados pela mecânica quântica.

O ambiente ultrafrio produzido é propício para gerar os efeitos necessários para aprimorar as tecnologias quânticas, por exemplo, tentando levar diferentes materiais para seu estado supercondutor, ou testando qubits para avaliar as melhores tecnologias para os futuros computadores quânticos.

Geladeira comum

Embora os refrigeradores quânticos supercondutores não sirvam para uso na cozinha, seu princípio operacional é bastante semelhante: As geladeiras tradicionais não funcionam tornando seu conteúdo mais frio, mas removendo o calor, tirando-o de seu interior e levando-a para outra região no espaço, neste caso, o lado de fora da geladeira.

Isto é feito movendo um fluido - o refrigerante - entre reservatórios quentes e frios, e mudando seu estado de líquido para gasoso. O refrigerante em estado líquido passa por uma válvula de expansão, que diminui sua pressão e temperatura à medida que a expansão o faz passar para o estado gasoso. O refrigerante agora frio passa através dos canos em formato de bobina do evaporador no interior da caixa da geladeira, absorvendo o calor desse ambiente fechado.

O refrigerante é então novamente comprimido por um compressor alimentado por eletricidade, elevando ainda mais sua temperatura e pressão e transformando-o de um gás em um líquido quente. O líquido quente condensado, mais quente que o ambiente externo, flui através das serpentinas do condensador na parte externa da geladeira, irradiando calor para o meio ambiente. O líquido então reentra na válvula de expansão e o ciclo se repete.

Geladeira supercondutora chegará perto do zero absoluto
Como se poderia esperar, o refrigerador quântico é minúsculo, do tamanho de um chip, mas o suficiente para guardar suas partículas atômicas e subatômicas.
[Imagem: Manikandan et al. - 10.1103/PhysRevApplied.11.054034]

Geladeira quântica supercondutora

A geladeira supercondutora é parecida. No entanto, em vez de um refrigerante que passa de um estado líquido para gasoso, ela usa os chamados pares de Cooper - elétrons que viajam emparelhados e parecem explicar o próprio fenômeno da supercondutividade -, fazendo-os emparelhar e desemparelhar.

"Estamos fazendo exatamente a mesma coisa que uma geladeira tradicional, mas com um supercondutor," explicou Manikandan.

Em vez de serpentinas, válvulas e um compressor, tudo acontece em uma pilha de metais dispostos em camadas, colocados dentro de uma geladeira de diluição criogênica, já fria.

A camada inferior da pilha é uma folha de nióbio supercondutor, que funciona como um reservatório quente, semelhante ao ambiente externo de um refrigerador tradicional. A camada intermediária é tântalo supercondutor, que é a substância de trabalho, semelhante ao refrigerante da geladeira tradicional. A camada superior é de cobre, que é o reservatório frio, semelhante ao interior da geladeira tradicional.

Quando uma corrente elétrica é aplicada paulatinamente ao nióbio, produz-se um campo magnético que penetra na camada de tântalo, fazendo com que seus elétrons supercondutores se emparelhem, fazendo a transição para seu estado normal e perdendo calor. A camada de tântalo agora fria absorve o calor da camada de cobre, que se torna mais quente.

O campo magnético é então lentamente desligado, fazendo com que os elétrons no tântalo se emparelhem e voltem a se transformar em um estado supercondutor, e o tântalo fica mais quente que a camada de nióbio. O excesso de calor é então transferido para o nióbio. O ciclo se repete, mantendo uma temperatura baixa na camada superior de cobre.

Mas como a substância de trabalho no refrigerador quântico é um supercondutor, "são os pares de Cooper no cobre que desemparelham e ficam mais frios quando você aplica um campo magnético lentamente a temperaturas muito baixas, levando o atual refrigerador de última geração [a geladeira de diluição criogênica] a um patamar fundamental e arrefecendo-a ainda mais," explicou Manikandan.

Utilidades do refrigerador quântico supercondutor

Em vez de armazenar alimentos, a geladeira quântica supercondutora poderá ser usada para armazenar coisas como qubits, as unidades básicas dos computadores quânticos, que precisam ser superfrios para não sofrerem interferências e perderem os dados.

Essa geladeira também será útil para resfriar sensores quânticos, que medem a luz de forma muito eficiente e são fundamentais em sensores muito delicados, como os usados nos telescópios, ou para fazer imagens de tecidos profundos usando aparelhos de ressonância magnética.

Bibliografia:

Artigo: Superconducting Quantum Refrigerator: Breaking and Rejoining Cooper Pairs with Magnetic Field Cycles
Autores: Sreenath K. Manikandan, Francesco Giazotto, Andrew N. Jordan
Revista: Physical Review Applied
Vol.: 11, 054034
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.054034






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