Nova teoria permitirá projetar motores de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/09/2026 Termodinâmica quântica A miniaturização e a nanociência trouxeram algumas novas questões interessantes quando tentamos tirar proveito da natureza em uma escala muito pequena. Por exemplo: O que é "realmente" o calor? O que significa trabalho útil se uma máquina consiste em apenas um átomo propelido por partículas de luz? Essa rota rumo a tecnologias menores passou a depender fortemente da mecânica quântica, e isso está cobrando a elaboração de um quadro teórico mais geral que conecte a termodinâmica clássica tradicional com a física quântica, eventualmente criando uma termodinâmica quântica. Afinal, não dá para fazer projetos de motores se não entendemos como eles funcionam. As teorias da termodinâmica clássica e da mecânica quântica não poderiam ser mais diferentes. Enquanto a termodinâmica foi desenvolvida no século XIX para explicar o princípio de funcionamento das grandes máquinas a vapor, a física quântica nasceu no início no início do século XX para explicar as propriedades dos átomos e das partículas subatômicas. Acontece que, nas tecnologias mais modernas, as duas teorias estão se encontrando cada vez mais: Minúsculos sistemas compostos por átomos e partículas de luz (fótons) também podem absorver energia, convertê-la e liberá-la, funcionando assim como minúsculas máquinas quânticas. Para tentar guiar esses esforços, Marcelo Janovitch e colegas da Universidade da Basileia, na Suíça, acabam de desenvolver uma nova abordagem que eles acreditam ser capaz de reconciliar ambas as teorias. E, para demonstrar isso, eles usaram seu novo arcabouço teórico para projetar um motor acionado pela luz. Motor de luz O desafio consiste em encontrar um tratamento para os novos sistemas em escala atômica e molecular que funcione tanto para um sistema completamente quântico quanto no limite semiclássico - este último é o caso limite, a fronteira, onde uma parte do sistema é tratada quanticamente, enquanto a física clássica é suficiente para a outra parte. "Nossos cálculos consideram o modelo físico concreto de um átomo colocado em uma cavidade entre dois espelhos, onde ele pode absorver e emitir partículas de luz," explica Janovitch. Um laser bombeia continuamente fótons adicionais para a cavidade, enquanto a luz escapa para o exterior através de espelhos parcialmente refletores. "Este é um exemplo clássico de um sistema chamado de acionado dissipativamente, que recebe energia continuamente e, simultaneamente, a perde para o ambiente," acrescenta o pesquisador. Tal modelo pode ser usado para estudar questões fundamentais sobre sistemas quânticos abertos, com um átomo funcionado de forma semelhante a um motor térmico minúsculo - ou, neste caso, um motor de luz. Recentemente, a equipe havia demonstrado que as partículas de luz que escapam da cavidade não devem ser consideradas como "calor residual" no tratamento termodinâmico. Em vez disso, parte de sua energia ainda pode ser usada para realizar trabalho útil em outro sistema quântico. Agora, eles detalharam como essa distinção entre calor e energia útil afeta o limite semiclássico. Termodinâmica semiclássica No regime semiclássico, o átomo na cavidade ainda é visto como um sistema quântico com níveis de energia discretos, enquanto a luz passa a ser considerada uma onda eletromagnética clássica, de modo que os efeitos quânticos podem ser negligenciados. "Tratar a luz classicamente torna muito mais fácil definir qual parte da energia pode ser usada para realizar trabalho e qual parte é calor desordenado," disse Janovitch. A equipe demonstrou matematicamente que esse caso limite é derivável de forma consistente a partir do tratamento quântico-termodinâmico, ou seja, parte da luz emitida pode ser contabilizada como trabalho no limite semiclássico. Em contraste, considerar toda a energia que escapa da cavidade como calor, seguindo o método convencional, não funciona. Além disso, os cálculos preveem corretamente como os efeitos quânticos levam a uma redução nas flutuações das partículas de luz. Essas flutuações reduzidas são particularmente interessantes para aplicações em tecnologias quânticas ao permitir usar o calor - que normalmente causa perturbações nos sistemas quânticos - como um recurso para fins específicos, e não apenas para motores. Por exemplo, é possível criar estados de luz específicos que podem ser usados para medições particularmente precisas em metrologia.