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O inovador mecanismo de aquecimento usa um único átomo de cálcio com carga elétrica
Experiments with a single-atom device help researchers understand what quantum effects come into play when machinery shrinks to the atomic scale. Credit: Aki Honda / Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore
Aqui está um novo capítulo na história da miniaturização de máquinas: pesquisadores de um laboratório em Cingapura mostraram que um único átomo pode funcionar como um motor ou um refrigerador. Esse dispositivo pode ser projetado em futuros computadores e células de combustível para controlar os fluxos de energia.
"Pense em como o seu computador ou laptop tem muitas coisas dentro dele que esquentam. Hoje você esfria isso com um ventilador que sopra ar. Em nanomáquinas ou computadores quânticos, 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 mecânica de tais dispositivos. O trabalho é uma colaboração envolvendo pesquisadores do Centro de Tecnologias Quânticas (CQT) e do Departamento de Física da Universidade Nacional de Cingapura (NUS), SUTD e da Universidade de Augsburgo na Alemanha. Os resultados foram publicados no periódico npj Quantum Information em 1 de maio.
Motores e refrigeradores são máquinas descritas pela termodinâmica, um ramo da ciência que nos diz como a energia se move dentro de um sistema e como podemos extrair trabalho útil. Um motor clássico 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 térmicos antes de usar um único átomo , uma única molécula e defeitos no diamante. A principal diferença sobre esse dispositivo é que ele mostra quantumness em sua ação. "Queremos entender como podemos construir dispositivos termodinâmicos com apenas alguns átomos . A física não é bem compreendida, então nosso trabalho é importante para saber o que é possível", diz Manas Mukherjee, pesquisador principal do CQT, NUS, que liderou o Trabalho experimental.
Os pesquisadores estudaram a termodinâmica de um único átomo de bário. Eles criaram um esquema no qual os lasers movem um dos elétrons do átomo entre dois níveis de energia como parte de um ciclo, fazendo com que alguma energia seja empurrada para as vibrações do átomo. Como um motor de carro consome gasolina para mover os pistões e carregar a bateria, o átomo usa energia dos lasers como combustível para aumentar seu movimento vibratório. As vibrações do átomo agem como uma bateria, armazenando energia que pode ser extraída posteriormente. Reorganize o ciclo e o átomo age como uma geladeira, removendo a energia das vibrações.
Nos dois modos de operação, os efeitos quânticos aparecem nas correlações entre os estados eletrônicos e as vibrações do átomo. "Nesta escala, a transferência de energia entre o motor e a carga é um pouco nebulosa. Não é mais possível simplesmente trabalhar com a carga, você é obrigado a transferir um pouco de calor", diz Poletti. Ele elaborou a teoria com os colaboradores Jiangbin Gong da NUS Physics e Peter Hänggi em Augsburg. A imprecisão torna o processo menos eficiente, mas os experimentalistas ainda podem fazê-lo funcionar.
Mukherjee e seus colegas Noah Van Horne, Dahyun Yum e Tarun Dutta usaram um átomo de bário do qual um elétron (carga negativa) é removido. Isso torna o átomo carregado positivamente, para que ele possa ser mantido mais facilmente imóvel dentro de uma câmara de metal por campos elétricos. Todo o outro ar é removido dele. O átomo é então zapped com lasers para movê-lo através de um ciclo de quatro estágios.
Os pesquisadores mediram a vibração do átomo após a aplicação de 2 a 15 ciclos. Eles repetiram um determinado número de ciclos até 150 vezes, medindo em média a quantidade de energia vibracional presente no final. Eles podiam ver a energia vibracional aumentando quando o átomo foi zapped com um ciclo do motor e diminuindo quando os zaps seguiram o ciclo da geladeira.
A compreensão da máquina do tamanho de átomos envolveu cálculos e observações complicados. A equipe precisava rastrear duas quantidades termodinâmicas conhecidas como ergotropia, que é a energia que pode ser convertida em trabalho útil, e a entropia, relacionada à desordem no sistema. Tanto a ergotropia quanto a entropia aumentam à medida que a máquina-átomo 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 máquina que cria entropia quando é preenchida com energia livre, como crianças quando recebem muito açúcar".
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Mais informações: Noah Van Horne et al., Dispositivo de conversão de energia de átomo único com carga quântica, npj Quantum Information (2020). DOI: 10.1038 / s41534-020-0264-6
Fornecido por National University of Singapore
Fonte: Phys News / pela Universidade Nacional de Cingapura / 04-05-2020
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HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA
(NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA
GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela
NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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