A noção teórica de um "motor de calor quântico" existe há várias décadas. Muito recentemente, os físicos começaram a testar algumas dessas teorias em contextos experimentais.

Um desses experimentos acaba de ser realizado por uma equipe de físicos das universidades de Waterloo, Federal do ABC e do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, que demonstraram com sucesso um motor de calor quântico baseado no spin.

O motor térmico é baseado em um sistema spin-1/2 e em técnicas de ressonância magnética nuclear.

"A chamada 'termodinâmica quântica' está atualmente em desenvolvimento," explica o professor Roberto Serra. "Esse campo emergente também está associado com o desenvolvimento das tecnologias quânticas, que prometem uma espécie de nova revolução industrial em escala nano, com dispositivos disruptivos para computação, comunicação, sensores etc."

Em seu experimento, Serra e seus colegas implementaram com sucesso uma prova de conceito de um motor quântico usando um spin nuclear contido em uma molécula de clorofórmio e técnicas de ressonância magnética nuclear para acioná-lo.

Mais especificamente, eles manipularam o spin de um isótopo de carbono-13 usando um campo de radiofrequência, produzindo finalmente um ciclo Otto, ou seja, o ciclo termodinâmico usado nos motores mais comuns.

"A diferença de energia entre os dois estados possíveis de rotação nuclear (vamos chamá-los de 'para cima' e 'para baixo') aumentou e diminuiu de forma semelhante à expansão e compressão do pistão em um motor de carro," explicou Serra. "Sob algumas condições, os spins nucleares na molécula podem absorver e liberar calor de/para as ondas de rádio".

As flutuações de energia desempenham um papel crucial no cenário quântico. Medir essas flutuações em um ciclo termodinâmico, no entanto, é uma tarefa extremamente desafiadora, que os pesquisadores surpreendentemente conseguiram superar. Eles descobriram que, ao executar um ciclo Otto quântico na potência máxima, seu mecanismo de aquecimento quântico poderia atingir uma eficiência de extração de trabalho de cerca de 42%, o que está muito próximo do seu limite termodinâmico, que chega a cerca de 44%.

"Em nosso experimento, o pequeno motor de spin atinge uma eficiência próxima ao seu limite termodinâmico na potência máxima, o que é muito melhor do que o que os motores de carros podem fazer hoje em dia," disse Serra. "O motor de spin quântico não seria muito útil na prática, uma vez que o trabalho produzido forneceria uma quantidade muito pequena de energia às ondas de rádio. Ele seria suficiente apenas para alterar outro spin nuclear. Estamos mais interessados em medir quanta energia ele usa, quanto calor ele dissipa e quanta entropia é produzida durante a operação."

Em seus trabalhos futuros, a equipe pretende também identificar maneiras de otimizar a operação de pequenas máquinas termais quânticas, demonstrando sua eficácia em experimentos reais. Isso poderia ajudar a construir refrigeradores quânticos mais avançados, que poderiam ser utilizados nos emergentes computadores quânticos.