Motores quânticos de calor e refrigeradores

Um mecanismo de calor quântico é um dispositivo que gera energia a partir do fluxo de calor entre os reservatórios quentes e frios. O mecanismo de operação do mecanismo pode ser descrito pelas leis da mecânica quântica. A primeira realização de um motor de aquecimento quântico foi apontada por Scovil e Schulz-DuBois em 1959, mostrando a conexão da eficiência do mecanismo Carnot e do maser de três níveis. Os refrigeradores quânticos compartilham a estrutura dos motores quânticos de calor com o objetivo de bombear calor de um banho frio para um quente consumindo energia sugerida pela primeira vez por Geusic, Schulz-DuBois, De Grasse e Scovil. Quando a energia é fornecida por um laser, o processo é denominado bombeamento óptico ou resfriamento a laser, sugerido por Weinland e Hench. Motores térmicos e refrigeradores podem operar até a escala de uma única partícula, justificando a necessidade de uma teoria quântica denominada termodinâmica quântica.

Amplificador de 3 níveis como um motor de aquecimento quântico

O amplificador de três níveis. Os níveis 1 e 3 são acoplados ao reservatório quente. Os níveis 1 e 2 são acoplados ao reservatório frio. A energia é obtida quando há inversão da população entre os níveis 3 e 2

O amplificador de três níveis é o modelo de um dispositivo quântico. Ele opera empregando um banho quente e frio para manter a inversão da população entre dois níveis de energia que é usado para amplificar a luz por emissão estimulada O nível do estado fundamental (1-g) e o nível excitado (3-h) são acoplados a um banho quente de temperatura $T_h$. A diferença de energia é $\hslash {\omega }_h=E_3-E_1$. Quando a população nos níveis se equilibra

$\frac{N_h}{N_g}=e^{-\frac{\hslash {\omega }_h}{k_b{T}_h}}$

onde $\hslash =\frac{h}{2\pi }$ é constante de Planck e $k_b$ é a constante de Boltzmann. O banho frio de temperatura $T_c$ acopla o terra (1-g) para um nível intermediário (2-c) com intervalo de energia $E_2-E_1=\hslash {\omega }_c$. Quando os níveis 2-c e 1-g equilibrar então

$\frac{N_c}{N_g}=e^{-\frac{\hslash {\omega }_c}{k_b{T}_c}}$.

O dispositivo funciona como um amplificador quando os níveis (3-h) e (2-c) são acoplados a um campo externo de frequência $\nu$. Para condições de ressonância ideais $\nu ={\omega }_h-{\omega }_c$. A eficiência do amplificador na conversão de calor em energia é a razão entre a saída do trabalho e a entrada de calor:

$\eta =\frac{\hslash \nu }{\hslash {\omega }_h}=1-\frac{{\omega }_c}{{\omega }_h}$.

A amplificação do campo é possível apenas para ganho positivo (inversão da população) $G=N_h-N_c\ge 0$. Isso é equivalente a $\frac{\hslash {\omega }_c}{k_b{T}_c}\ge \frac{\hslash {\omega }_h}{k_b{T}_h}$. Inserir esta expressão na fórmula de eficiência leva a:

$\eta =1-\frac{{\omega }_c}{{\omega }_h}\le 1-\frac{T_c}{T_h}={\eta }_c$

onde ${\eta }_c$ é a eficiência do ciclo de Carnot. A igualdade é obtida sob uma condição de ganho zero $G=0$. A relação entre o amplificador quântico e a eficiência de Carnot foi apontada pela primeira vez por Geusic e Scovil.

A reversão da operação conduzindo o calor do banho frio para o banho quente consumindo energia constitui uma geladeira. A eficiência do refrigerador definida como o coeficiente de desempenho (COP) para o dispositivo invertido é:

$ϵ=\frac{{\omega }_c}{\nu }\le \frac{T_c}{T_h-T_c}$

Motor de calor de spin quântico experimental

Um experimento foi realizado por pesquisadores da Universidade de Waterloo, Universidade Federal do ABC e pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas. Eles demonstraram um mecanismo de calor de spin quântico em um ambiente de laboratório.

Durante o experimento, Roberto M. Serra atualizou um mecanismo quântico de prova de princípio utilizando um spin nuclear colocado em uma molécula de clorofórmio e estratégias de ressonância magnética nuclear. Os analistas controlaram o spin atômico de um isótopo de Carbono 13 (¹³C) usando um campo de radiofreqüência, criando um ciclo de Otto. Os cientistas descobriram que, ao executar um Ciclo Otto quântico, seu mecanismo quântico de calor pode alcançar eficácia para a extração de trabalho de η≈42%, que está próximo do seu limite termodinâmico (η = 44%).