A geração aleatória de calor no mundo microscópico é um dos principais obstáculos para o avanço da nanotecnologia. À medida que os nanodispositivos se tornarem cada vez menores e mais complexos, feitos com peças de tamanho comparável ao de moléculas ou até mesmo de átomos, eles terão risco maior de gerar perigosas flutuações quânticas durante o seu funcionamento. Essas flutuações são variações abruptas e imprevisíveis de energia, regidas pelas leis probabilísticas da mecânica quântica, com potencial de danificar os nanomecanismos.

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Um grupo de físicos brasileiros liderado por Roberto Serra, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), apresentou em um artigo publicado no início de dezembro na Physical Review Letters uma técnica capaz de atenuar a produção dessas flutuações de calor em nível subatômico.

As flutuações de energia e calor microscópicas devem prejudicar as nanomáquinas de maneira parecida com a que o aquecimento excessivo e descontrolado pode danificar um motor macroscópico convencional, como o de um carro. Durante a Revolução Industrial, uma das motivações dos cientistas do século XIX para desenvolver a termodinâmica clássica – área da física que estabeleceu como a energia na forma de calor é convertida em energia mecânica e vice-versa – foi entender o funcionamento de válvulas de pressão e refrigeradores, dispositivos que tornaram o funcionamento dos motores a vapor e de combustão interna mais seguros e eficientes.

Antecipando avanços na nanotecnologia, Serra e seus colegas fazem parte de uma comunidade de físicos que vem desenvolvendo uma teoria mais geral e detalhada da termodinâmica, a chamada termodinâmica quântica fora do equilíbrio, que poderá garantir o funcionamento eficiente de dispositivos nas escalas molecular e atômica, na qual os efeitos quânticos estão presentes.

Para desenvolver uma nova técnica de controle, Serra e seus colegas se inspiraram no “demônio de Maxwell”, um ser fantástico imaginado pelo físico e matemático escocês James Clerk Maxwell (1831 – 1879). Maxwell foi um dos primeiros a entender que a temperatura de certo volume de gás depende da velocidade média com que se movimentam as moléculas que o compõem. Quanto mais velozes são suas moléculas, mais quente é o gás. Em uma carta de 1867 ao colega Peter Tait, Maxwell imaginou um ser microscópico e inteligente, capaz de medir e registrar as velocidades de todas as moléculas do gás. No experimento mental, o ser controlava uma torneira separando dois recipientes iguais, ambos cheios de um gás mantido à mesma temperatura. Abrindo e fechando a torneira rapidamente, a criatura separaria as moléculas de gás, deixando as menos velozes que a média – e, portanto, mais frias – em um dos recipientes e as mais ligeiras no outro.

Leia a íntegra da reportagem em http://revistapesquisa.fapesp.br/2017/01/10/diabrura-quantica/?cat=ciencia.

Revista Pesquisa FAPESP