Demônio de Maxwell manipula calor e balança leis da termodinâmica

Com informações da Universidade Aalto - 15/01/2016

Um demônio de Maxwell autônomo. Quando o demônio vê o elétron entrar na ilha (1), ele o aprisiona com uma carga positiva (2). Quando o elétron deixa a ilha (3), o demônio solta uma carga negativa (4).
[Imagem: Jonne Koski]

Demônio de Maxwell

Em 1867, o físico escocês James Clerk Maxwell desafiou a segunda lei da termodinâmica, segundo a qual a entropia em um sistema fechado sempre deve aumentar.

Em seu experimento mental, Maxwell idealizou um recipiente fechado com gás, dividido em duas partes por uma parede interna, na qual existe uma pequena porta.

Abrindo e fechando a porta, uma criatura hipotética - que passou à história com o nome de "Demônio de Maxwell" - poderia ordenar as partículas do gás, passando a lentas e frias para um lado e dirigindo as rápidas e quentes para o outro lado da parede, criando assim, uma diferença de temperatura que violaria as leis da termodinâmica.

Demônio que resfria

No plano teórico, esse experimento mental tem sido objeto de análises, interpretações e controvérsias nesses últimos 150 anos, mas testar experimentalmente a ideia vinha sendo impossível até há pouco tempo.

Então, em 2007, uma equipe escocesa finalmente construiu uma nanomáquina equivalente ao Demônio de Maxwell. Mas a controvérsia continuou, porque esse experimento ainda dependia de um atuador externo, deixando a entropia total seguir seu caminho previsto e a segunda lei da termodinâmica intacta.

Há expectativas de que o demônio de Maxwell autônomo ajude a construir um motor quântico que gera trabalho sem produzir nenhum atrito.
[Imagem: A. del Campo, et al - 10.1038/srep06208]

Agora, Jonne Koski e seus professores da Universidade de Aalto, na Finlândia conseguiram construir um demônio de Maxwell autônomo, capaz de executar de fato o experimento idealizado por Maxwell por conta própria e sem qualquer ajuda externa, permitindo analisar alterações microscópicas envolvendo a termodinâmica - e muito mais.

Não há realmente um capetinha lá, mas uma dupla de transistores que separa os elétrons em termos de suas energias, efetivamente retirando energia de um dos transistores, que então se resfria. O processo ocorre sem a troca direta de calor entre o transístor-demônio e seu par.

Máquina de informação

O que torna autônomo esse demônio - ou independente, ou autocontido - é que ele executa a operação de medição e atuação sem qualquer comando ou energia vindos do exterior. As alterações de temperatura são indicativas da correlação entre o demônio e o sistema, ou, em termos simples, de quanto o demônio "sabe" sobre o sistema.

Assim, o dispositivo também pode ser chamado de uma "máquina de informação", já que utiliza informações sobre as energias dos elétrons, permitindo testar axiomas fundamentais também dessa área de pesquisas.

"O sistema que construímos é um transístor de elétron único formado por uma pequena ilha metálica ligada a dois fios por junções túnel feitas de materiais supercondutores. O demônio ligado ao sistema também é um transístor de elétron único que monitora o movimento dos elétrons no sistema.

Muitos garantem que o demônio de Maxwell autônomo não viola das leis da termodinâmica. Outros, porém, defendem que a Segunda Lei da Termodinâmica falha em nanoescala. E os experimentos mais recentes defendem até que há várias Segundas Leis da Termodinâmica no reino da mecânica quântica.
[Imagem: Iñaki Gonzalez/Jan Gieseler]

"Quando um elétron tunela para a ilha, o demônio o aprisiona com uma carga positiva. Inversamente, quando um elétron deixa a ilha, o demônio o repele com uma carga negativa e o força a se mover morro acima, contrariamente ao seu potencial, o que reduz a temperatura do sistema," explicou o professor Jukka Pekola, um pioneiro nesses transistores de calor, que o ajudaram a construir a menor geladeira do mundo, para resfriar qubits e píxeis.

Computação reversível

Além de constituir uma ferramenta útil para a pesquisa básica, seja no campo da termodinâmica ou da teoria da informação, o demônio de Maxwell poderá ter aplicações no resfriamento de chips e qubits e também na computação reversível, um conceito que prevê uma computação na qual o processo de cálculo pode ser revertido sem perda de energia - um exemplo é a computação adiabática usada no primeiro computador quântico disponível comercialmente, o D-Wave.

"Como trabalhamos com circuitos supercondutores, também é possível para nós criar qubits de computadores quânticos. Como próximo passo, gostaríamos de examinar esses mesmos fenômenos em nível quântico," contou o professor Pekola.

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