Pesquisadores da Universidade Normal de Qufu (China), da Universidade de Hong Kong e da Universidade de Palermo (Itália) desenvolveram um motor quântico de calor capaz de produzir trabalho e refrigeração simultaneamente. O estudo foi publicado na Physical Review Letters e combina demonstração teórica e experimental do fenômeno.O ponto de partida foi a observação de um efeito térmico anômalo: um sistema quântico absorvendo calor de reservatórios térmicos mais frios. Esse comportamento contraria o princípio clássico pelo qual o calor flui naturalmente de regiões mais quentes para regiões mais frias até que o equilíbrio térmico seja atingido — princípio que fundamenta tecnologias que vão de geladeiras a usinas de energia.Ordem causal indefinida como mecanismo centralO fenômeno está ligado ao conceito de ordem causal indefinida (ICO, na sigla em inglês);Conforme explicou ao Phys.org, Zhong-Xiao Man, coautor sênior do artigo, a ICO permite que dois eventos ocorram em uma superposição de ordens;Na termodinâmica quântica, esses eventos são modelados como canais de termalização que atuam sobre um sistema por meio de um qubit de controle, criando uma ordem indefinida;Man afirmou que estudos anteriores já haviam mostrado que, mesmo com canais em temperaturas idênticas, o sistema não precisa equilibrar-se a essa temperatura — um desvio marcante em relação à termodinâmica padrão;A partir disso, a equipe investigou o que ocorre com o fluxo de calor quando o sistema e os canais partem de temperaturas diferentes.“A ideia central do nosso artigo é que, no mundo quântico, dois processos térmicos podem ocorrer em uma superposição de ordens diferentes. Isso cria um fluxo de calor incomum, permitindo que o motor extraia energia de um ambiente mais frio de uma forma que não seria possível classicamente”, declarou Man.Imagem visualiza um motor quântico de Otto impulsionado por ordem causal indefinida – Imagem: Rosario Lo FrancoMotor Otto quântico com duas funções em um único dispositivoCom base no fluxo de calor anômalo identificado, os pesquisadores projetaram um motor Otto quântico — dispositivo que converte calor em trabalho útil. Diferentemente dos motores Otto convencionais, o dispositivo opera um ciclo Otto quântico que gera trabalho útil e fornece refrigeração ao mesmo tempo. Realizar as duas funções normalmente exigiria dois dispositivos separados e distintos.Tanto o fluxo anômalo quanto o motor foram realizados experimentalmente em uma plataforma fotônica. Segundo Man, os resultados confirmaram integralmente as previsões teóricas da equipe.Giulio Chiribella, coautor do artigo, destacou três contribuições do trabalho. A primeira foi a identificação de uma nova forma de fluxo de calor anômalo, demonstrando que a coerência quântica pode alterar fundamentalmente a maneira como o calor é trocado entre sistemas.A segunda foi a demonstração teórica e experimental completa desses efeitos termodinâmicos não convencionais em uma plataforma fotônica. A terceira foi a comprovação de que esses efeitos não são assinaturas exclusivas da ordem causal indefinida — podendo também ser reproduzidos dentro de uma estrutura causal definida.Aplicações possíveis e próximos passosO motor apresentado no artigo ainda é uma prova de princípio. Os autores indicam que o design e o fluxo de calor anômalo relatados poderiam ser aproveitados no desenvolvimento de tecnologias quânticas voltadas ao resfriamento de processadores quânticos e ao gerenciamento de calor em sensores quânticos, tecnologias de imageamento e dispositivos em nanoescala.Rosario Lo Franco, coautor sênior do artigo, apontou uma direção para pesquisas futuras: ir além dos ciclos termodinâmicos idealizados e investigar implementações mais realistas, nas quais todas as operações ocorrem em tempo finito.Lo Franco observou que estudos teóricos recentes mostraram que medições e operações de controle em tempo finito podem introduzir trocas fundamentais entre custo energético, ganho de informação e desempenho — e que a equipe pretende entender como essas limitações afetam o tipo de motor proposto no trabalho.O post Cientistas criam motor quântico que desafia leis fundamentais da física apareceu primeiro em Olhar Digital.