Nanotecnologia

Descoberta incerteza fundamental da temperatura em nanoescala

Temperatura tem incerteza fundamental em escala atômica
A termodinâmica em escala atômica tem muitas coisas estranhas, incluindo um demônio - de Maxwell.[Imagem: Jonne Koski]

Incerteza na temperatura

Físicos descobriram uma nova relação de incerteza que mostra uma imprecisão fundamental com que a temperatura pode ser medida em nanoescala, das moléculas para baixo, onde imperam as regras da mecânica quântica.

Se você medir a temperatura do seu café com um termômetro comum, poderá ler algo como uma temperatura de 90° C, 0,5° C para mais ou para menos.

A incerteza da temperatura em sua leitura surge porque o nível de mercúrio no termômetro flutua um pouco, devido a colisões microscópicas dos átomos de mercúrio.

As coisas ficam mais interessantes quando se tenta medir a temperatura de pequenos objetos, como componentes nanométricos - transistores, células individuais, moléculas, e por aí adentro.

Superposição de temperaturas

Para obter medições precisas em nanoescala, é necessário usar termômetros minúsculos, compostos de apenas alguns átomos. Ou seja, tanto o medidor quanto o que deve ser medido estão em vibração contínua.

Acontece que, sob certas circunstâncias, a incerteza nessas leituras de temperatura será propensa a "flutuações" adicionais - além dos já conhecidos sacolejos das moléculas e dos átomos. Essas variações emergem devido a efeitos quânticos.

Especificamente, um nanotermômetro pode estar em uma superposição quântica entre diferentes temperaturas - ele pode estar simultaneamente em 89,5° C e 90,5° C, por exemplo, assim como o gato de Schrodinger pode estar em uma superposição entre estar morto e vivo. Para quem não se lembra, a superposição é uma das tecnologias por trás dos computadores quânticos.

"Além do ruído termal que está presente ao fazer uma medição de temperatura, a possibilidade de estar em uma superposição significa que as flutuações quânticas influenciam a forma como observamos a temperatura em nanoescala," disse Harry Miller, da Universidade de Exeter, no Reino Unido.

Por isso, Miller e sua colega Janet Anders desenvolveram um novo arcabouço teórico que permite a caracterização desses termômetros de pequena escala e estabelece sua precisão máxima alcançável.

Nanotermômetros

A descoberta - a descrição matemática das flutuações geradas pela superposição quântica - parece deixar as coisas mais confusas, mas o conhecimento dessa relação de incerteza adicional será útil para que os engenheiros projetem termômetros em nanoescala que levem em conta os efeitos da mecânica quântica, dando maior precisão aos experimentos.

"Esta descoberta é um passo importante para estender os conceitos e leis da termodinâmica para a nanoescala, onde nossas suposições macroscópicas se esfacelam," disse Janet Anders.

Bibliografia:

Energy-temperature uncertainty relation in quantum thermodynamics
Harry J. D. Miller, Janet Anders
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 2203
DOI: 10.1038/s41467-018-04536-7




Outras notícias sobre:

    Mais Temas