Mundo quântico desafia a termodinâmica

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Imagem da cicatriz quântica. No espaço de estados representado pela superfície da esfera, o estado da cicatriz que não está em equilíbrio térmico (pequeno círculo laranja na figura) repete o movimento periódico no subespaço separado de outros estados térmicos.
[Imagem: Naoyuki Shibata et al. - 10.1103/PhysRevLett.124.180604]

Termalização

Quando você põe um cubo de gelo em uma bebida em um dia quente, você espera que o gelo derreta, resfriando sua bebida. Isso ocorre porque, com tempo suficiente, a temperatura das coisas adjacentes se equilibra - o termo técnico para isso é termalização.

Seria um tanto surpreendente se o cubo de gelo não derretesse, e ainda mais estranho se ele derretesse e tornasse a congelar repetidamente diante dos seus olhos.

Pois foi exatamente isso que descobriram Naoyuki Shibata, Nobuyuki Yoshioka e Hosho Katsura, da Universidade de Tóquio, enquanto remexiam com o campo teórico da mecânica quântica.

Eles encontraram uma explicação para fenômenos que têm sido sugeridos em experimentos há bastante tempo, mas que ninguém compreendia. De fato, as pesquisas indicam que parece haver várias Segundas Leis da Termodinâmica em nanoescala, ou, ainda mais estranho, na termodinâmica atômica o bolo pode esfriar ou pegar fogo.

Termodinâmica quântica

Esta nova interpretação dos dados - o que os físicos chamam de modelo - mostra que existem estados especiais da matéria que resistem a mudanças térmicas em seus ambientes.

"Construímos um novo tipo de modelo quântico, que tem propriedades exóticas chamadas estados quânticos de cicatrizes de muitos corpos. Esses estados não termalizam, mesmo por longos períodos ou possivelmente para sempre," disse Shibata. "Este é o primeiro exemplo explícito desse tipo de comportamento em um sistema desordenado complexo. Esperamos que nosso trabalho ajude os físicos a entender melhor os fundamentos da termalização, que fazem a ponte entre o mundo quântico e o mundo macroscópico da vida cotidiana".

Com uma compreensão geral do que torna certos tipos de matéria impermeáveis à equalização de temperatura com o meio, os pesquisadores podem refinar métodos úteis para aplicações de ponta, como na computação quântica - o primeiro computador quântico comercializado é baseado na termalização quântica - ou mesmo em geladeiras que não gastam energia.

Bibliografia

Artigo: Onsager's Scars in Disordered Spin Chains
Autores: Naoyuki Shibata, Nobuyuki Yoshioka, Hosho Katsura
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 124, 180604
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.180604
Link: https://arxiv.org/abs/1912.13399

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