Os cientistas revelam possibilidades interessantes para o desenvolvimento de dispositivos quânticos eficientes. A mecânica quântica é um ramo da física que explora as propriedades e interações de partículas em escalas extremamente pequenas, como átomos e moléculas. Isto levou ao desenvolvimento de novas tecnologias que são mais poderosas e eficientes do que as tecnologias tradicionais, conduzindo a avanços em áreas como a computação, as comunicações e a energia.
Um salto quântico no design de motores
No Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), pesquisadores do Departamento de Sistemas Quânticos, em colaboração com cientistas da Universidade de Kaiserslautern-Landau e da Universidade de Stuttgart, projetaram e construíram um motor baseado nas regras especiais que as partículas obedecem em escalas extremamente pequenas.
Eles desenvolveram um motor que utiliza os princípios da mecânica quântica para gerar energia, em vez da forma usual de queimar combustível. O artigo que descreve esses resultados foi de coautoria dos pesquisadores do OIST Keerthy Menon, Dra. Eloisa Cuestas, Dr. Thomas Fogarty e Professor Thomas Busch, e foi publicado na revista Nature.
Comparando motores clássicos e motores quânticos
Em um típico motor de carro clássico, uma mistura de combustível e ar é acesa em uma cavidade. O calor gerado pela explosão aquece o gás na cavidade, que por sua vez empurra o pistão para dentro e para fora, produzindo trabalho para girar a roda.
Em seu motor quântico, os pesquisadores substituíram o uso de calor alterando as propriedades quânticas das partículas do gás. Para compreender como esta mudança alimenta um motor, precisamos de saber que todas as partículas na natureza podem ser classificadas como bósons ou férmions com base nas suas propriedades quânticas especiais.
Em temperaturas extremamente baixas, onde os efeitos quânticos se tornam importantes, os bósons têm um estado de energia mais baixo do que os férmions, e essa diferença de energia pode ser usada para alimentar motores. Em vez de aquecer e resfriar ciclicamente um gás como um motor clássico, um motor quântico funciona transformando bósons em férmions e vice-versa.
"Para transformar um férmion em um bóson, você combina dois férmions em uma molécula. Essa nova molécula é um bóson. Depois de decompô-la, podemos recuperar o férmion." O professor Thomas Busch, líder do Quantum Systems Group, explicou: “Ao fazer isso em loop, podemos alimentar o motor sem usar calor”.
A eficiência e o potencial dos motores quânticos
Embora este motor funcione apenas em estado quântico, a equipa de investigação descobriu que é bastante eficiente, atingindo até 25% na configuração experimental existente estabelecida por colaboradores alemães.
Este novo motor é um desenvolvimento interessante no campo da mecânica quântica e tem potencial para avançar ainda mais no campo emergente das tecnologias quânticas. Mas isso significa que em breve veremos a mecânica quântica alimentando motores de automóveis? Keerthy Menon explica: "Embora esses sistemas sejam muito eficientes, apenas fizemos uma prova de conceito com colaboradores experimentais. Existem muitos desafios para criar um motor quântico útil."
O calor pode destruir os efeitos quânticos se a temperatura for muito alta, por isso os pesquisadores devem manter o sistema o mais frio possível. No entanto, a realização de experimentos em temperaturas tão baixas requer muita energia para proteger estados quânticos sensíveis.
Os próximos passos da pesquisa envolverão a resolução de questões teóricas fundamentais sobre o funcionamento do sistema, otimizando seu desempenho e investigando sua potencial aplicabilidade a outros dispositivos comumente utilizados, como baterias e sensores.