Aqui estãoum novo capa­tulo na história da miniaturização de ma¡quinas: pesquisadores de um laboratório em Cingapura mostraram que um aºnico a¡tomo pode funcionar como um motor ou um refrigerador. Esse dispositivo pode ser projetado em futuros computadores e células de combusta­vel para controlar os fluxos de energia.

"Pense em como o seu computador ou laptop tem muitas coisas dentro dele que esquentam. Hoje vocêesfria isso com um ventilador que sopra ar. Em nanoma¡quinas ou computadores qua¢nticos, pequenos dispositivos que fazem resfriamento podem ser algo útil", diz Dario Poletti da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD).

Este trabalho fornece uma nova visão sobre a meca¢nica de tais dispositivos. O trabalho éuma colaboração envolvendo pesquisadores do Centro de Tecnologias Qua¢nticas (CQT) e do Departamento de Fa­sica da Universidade Nacional de Cingapura (NUS), SUTD e da Universidade de Augsburgo na Alemanha. Os resultados foram publicados no peria³dico npj Quantum Information em 1 de maio.

Motores e refrigeradores são ma¡quinas descritas pela termodina¢mica, um ramo da ciência que nos diz como a energia se move dentro de um sistema e como podemos extrair trabalho útil. Um motor cla¡ssico transforma energia em trabalho útil. Um refrigerador trabalha para transferir calor, reduzindo a temperatura local. Eles são, em alguns sentidos, opostos.

As pessoas criaram pequenos motores tanãrmicos antes de usar um aºnico a¡tomo , uma única molanãcula e defeitos no diamante. A principal diferença sobre esse dispositivo éque ele mostra quantumness em sua ação. "Queremos entender como podemos construir dispositivos termodina¢micos com apenas alguns a¡tomos . A física não bem compreendida, então nosso trabalho éimportante para saber o que épossí­vel", diz Manas Mukherjee, pesquisador principal do CQT, NUS, que liderou o Trabalho experimental.

Os pesquisadores estudaram a termodina¢mica de um aºnico a¡tomo de ba¡rio. Eles criaram um esquema no qual os lasers movem um dos elanãtrons do a¡tomo entre dois na­veis de energia como parte de um ciclo, fazendo com que alguma energia seja empurrada para as vibrações do a¡tomo. Como um motor de carro consome gasolina para mover os pistaµes e carregar a bateria, o a¡tomo usa energia dos lasers como combusta­vel para aumentar seu movimento vibrata³rio. As vibrações do a¡tomo agem como uma bateria, armazenando energia que pode ser extraa­da posteriormente. Reorganize o ciclo e o a¡tomo age como uma geladeira, removendo a energia das vibrações.

Nos dois modos de operação, os efeitos qua¢nticos aparecem nas correlações entre os estados eletra´nicos e as vibrações do a¡tomo. "Nesta escala, a transferaªncia de energia entre o motor e a carga éum pouco nebulosa. Nãoémais possí­vel simplesmente trabalhar com a carga, vocêéobrigado a transferir um pouco de calor", diz Poletti. Ele elaborou a teoria com os colaboradores Jiangbin Gong da NUS Physics e Peter Ha¤nggi em Augsburg. A imprecisão torna o processo menos eficiente, mas os experimentalistas ainda podem fazaª-lo funcionar.

Mukherjee e seus colegas Noah Van Horne, Dahyun Yum e Tarun Dutta usaram um a¡tomo de ba¡rio do qual um elanãtron (carga negativa) éremovido. Isso torna o a¡tomo carregado positivamente, para que ele possa ser mantido mais facilmente ima³vel dentro de uma ca¢mara de metal por campos elanãtricos. Todo o outro ar éremovido dele. O a¡tomo éentão zapped com lasers para movaª-lo atravanãs de um ciclo de quatro esta¡gios.

Os pesquisadores mediram a vibração do a¡tomo após a aplicação de 2 a 15 ciclos. Eles repetiram um determinado número de ciclos até150 vezes, medindo em média a quantidade de energia vibracional presente no final. Eles podiam ver a energia vibracional aumentando quando o a¡tomo foi zapped com um ciclo do motor e diminuindo quando os zaps seguiram o ciclo da geladeira.

A compreensão da ma¡quina do tamanho de a¡tomos envolveu ca¡lculos e observações complicados. A equipe precisava rastrear duas quantidades termodina¢micas conhecidas como ergotropia, que éa energia que pode ser convertida em trabalho útil, e a entropia, relacionada a  desordem no sistema. Tanto a ergotropia quanto a entropia aumentam a  medida que a ma¡quina-a¡tomo funciona. Ainda existe uma maneira simples de ver isso, afirma o primeiro autor e doutorado. estudante Van Horne, "Falando de maneira geral, projetamos uma pequena ma¡quina que cria entropia quando épreenchida com energia livre, como criana§as quando recebem muito açúcar".