Descoberta incerteza fundamental da temperatura em nanoescala

A termodinâmica em escala atômica tem muitas coisas estranhas, incluindo um demônio - de Maxwell.[Imagem: Jonne Koski]

Incerteza na temperatura

Físicos descobriram uma nova relação de incerteza que mostra uma imprecisão fundamental com que a temperatura pode ser medida em nanoescala, das moléculas para baixo, onde imperam as regras da mecânica quântica.

Se você medir a temperatura do seu café com um termômetro comum, poderá ler algo como uma temperatura de 90° C, 0,5° C para mais ou para menos.

A incerteza da temperatura em sua leitura surge porque o nível de mercúrio no termômetro flutua um pouco, devido a colisões microscópicas dos átomos de mercúrio.

As coisas ficam mais interessantes quando se tenta medir a temperatura de pequenos objetos, como componentes nanométricos - transistores, células individuais, moléculas, e por aí adentro.

Superposição de temperaturas

Para obter medições precisas em nanoescala, é necessário usar termômetros minúsculos, compostos de apenas alguns átomos. Ou seja, tanto o medidor quanto o que deve ser medido estão em vibração contínua.

Acontece que, sob certas circunstâncias, a incerteza nessas leituras de temperatura será propensa a "flutuações" adicionais - além dos já conhecidos sacolejos das moléculas e dos átomos. Essas variações emergem devido a efeitos quânticos.

Especificamente, um nanotermômetro pode estar em uma superposição quântica entre diferentes temperaturas - ele pode estar simultaneamente em 89,5° C e 90,5° C, por exemplo, assim como o gato de Schrodinger pode estar em uma superposição entre estar morto e vivo. Para quem não se lembra, a superposição é uma das tecnologias por trás dos computadores quânticos.

"Além do ruído termal que está presente ao fazer uma medição de temperatura, a possibilidade de estar em uma superposição significa que as flutuações quânticas influenciam a forma como observamos a temperatura em nanoescala," disse Harry Miller, da Universidade de Exeter, no Reino Unido.

Por isso, Miller e sua colega Janet Anders desenvolveram um novo arcabouço teórico que permite a caracterização desses termômetros de pequena escala e estabelece sua precisão máxima alcançável.

Nanotermômetros

A descoberta - a descrição matemática das flutuações geradas pela superposição quântica - parece deixar as coisas mais confusas, mas o conhecimento dessa relação de incerteza adicional será útil para que os engenheiros projetem termômetros em nanoescala que levem em conta os efeitos da mecânica quântica, mantendo a precisão dos experimentos.

"Esta descoberta é um passo importante para estender os conceitos e leis da termodinâmica para a nanoescala, onde nossas suposições macroscópicas se esfacelam," disse Janet Anders.

Bibliografia:

Energy-temperature uncertainty relation in quantum thermodynamics
Harry J. D. Miller, Janet Anders
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 2203
DOI: 10.1038/s41467-018-04536-7

FONTE: SITE INOVAÇÃO TECNOLOGICA