Concorrência e companhia

Imagine um grande relógio de pêndulo rodeado por vários pequenos que começam a funcionar em ritmos diferentes. Se os pêndulos do relógio puderem ajustar os seus ritmos com base nos dos seus vizinhos, com o tempo eles poderão sincronizar-se e mover-se em uníssono entre si. Este processo de sincronização envolve dois mecanismos de feedback: interações entre os pequenos relógios idênticos e a interação de cada pequeno relógio com o grande relógio externo.

No mundo quântico, contudo, esta coexistência – e o impacto das correlações quânticas sobre ela – tem sido largamente inexplorada. Os possíveis benefícios termodinâmicos da sincronização em sistemas quânticos também não foram muito investigados.

Pesquisadores do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos do Instituto de Ciências Básicas, na Coreia, e do Instituto Indiano de Tecnologia de Bombaim, na Índia, decidiram recentemente resolver essa lacuna. O seu trabalho esclarece como os dois mecanismos de sincronização – interação entre sistemas e interações com uma fonte externa comum – competem ou cooperam ao exibir comportamento termodinâmico em máquinas quânticas.

Em seu estudo, que descrevem em Physical Review Letters, Taufiq Murtadho, Sai Vinjanampathy e Juzar Thingna consideram um conjunto de máquinas térmicas quânticas que interagem mutuamente. As máquinas em questão são sistemas quânticos multiníveis em contato com um reservatório quente e frio. O nível mais excitado do sistema é composto por múltiplas partes idênticas com acoplamento mútuo, análogo aos pequenos relógios da metáfora. Para imitar o comportamento do grande relógio – uma unidade externa comum que arrasta a evolução do sistema – a máquina também está interagindo com uma fonte externa. Dependendo do regime de trabalho, esta configuração pode se comportar como um motor que bombeia calor do reservatório quente para o frio, ou como um refrigerador que faz o contrário.

A equipe começou mostrando que um sistema simples de quatro níveis, interagindo com uma fonte externa, é suficiente para investigar a interação dos mecanismos de sincronização e sua utilidade para motores térmicos quânticos. Thingna e colegas estudaram então o que acontece com as múltiplas peças idênticas na máquina devido aos dois mecanismos de sincronização quando a configuração se comporta como um motor e quando se comporta como um refrigerador.

Notavelmente, eles descobriram que a interação entre as partes individuais da máquina pode produzir uma configuração simétrica – todas as partes correspondem aos ritmos – e uma configuração antissimétrica – todas as partes não correspondem aos ritmos. Em contraste, a fonte externa sempre arrasta as múltiplas partes para uma configuração simétrica.

Seguindo essa linha, os pesquisadores descobriram que no regime motor, os dois mecanismos – interação mútua e impulso externo – favorecem configurações opostas de estados. Isso leva à competição entre os dois mecanismos. No regime de refrigeração, entretanto, ambos os mecanismos preferem a configuração simétrica e, portanto, cooperam.

A equipe então deu um passo além e mostrou que no limite termodinâmico, quando o número de múltiplas peças individuais é muito grande, ainda ocorre competição e cooperação entre os mecanismos. No entanto, à medida que o sistema é ampliado, o acoplamento mútuo torna-se o mecanismo dominante. Isto deixa o regime de cooperação inalterado, mas a concorrência, embora ainda presente, torna-se menos relevante no regime motor.

Além de descobrir a interação entre os mecanismos, os autores também esclarecem como a sincronização afeta o desempenho termodinâmico das máquinas quânticas. Num artigo complementar publicado na Physical Review A, os autores ilustram como a sincronização pode limitar a quantidade de calor desperdiçado gerado. Para uma máquina, motor ou refrigerador em funcionamento, isso implica, além do conhecido limite superior de Carnot, um novo limite inferior para eficiência.

A mecânica quântica e a termodinâmica podem ser verdadeiras, dizem os físicos

De acordo com Thingna e Vinjanampathy, estes resultados terão implicações diretas na construção de tecnologias quânticas onde a condução externa e as interações mútuas são importantes. Eles acrescentam que compreender as conexões entre a termodinâmica e os diferentes tipos de mecanismos de sincronização em sistemas quânticos será vital para construir e projetar máquinas energeticamente eficientes que operem com base em princípios termodinâmicos. Este trabalho, concluem eles, acrescenta mais uma peça ao quebra-cabeça das várias facetas do “quântico” na termodinâmica quântica.