Redação
do Site Inovação Tecnológica - 10/07/2019
Em vez de um refrigerante
que oscila entre os estados líquido e gasoso, o refrigerador quântico emparelha
e desemparelha os pares de elétrons em materiais supercondutores. [Imagem: Michael
Osadciw/Universidade de Rochester]
Refrigerador
definitivo
Imagine uma geladeira tão fria que possa levar
átomos aos seus estados fundamentais, perto do zero absoluto. Sreenath
Manikandan e colegas dos EUA e da Itália conceberam um refrigerador com essa
capacidade usando as propriedades da supercondutividade. Eles batizaram o
equipamento de “geladeira quântica” porque tanto as propriedades da
supercondutividade utilizadas, quanto os efeitos gerados nos átomos individuais
assim congelados, são ditados pela mecânica quântica.
O ambiente ultrafrio produzido é propício para
gerar os efeitos necessários para aprimorar as tecnologias quânticas, por
exemplo, tentando levar diferentes materiais para seu estado supercondutor, ou
testando qubits para avaliar as melhores tecnologias para os
futuros computadores quânticos.
Geladeira
comum
Embora os refrigeradores quânticos supercondutores
não sirvam para uso na cozinha, seu princípio operacional é bastante
semelhante: as geladeiras tradicionais não funcionam tornando seu conteúdo mais
frio, mas removendo o calor, tirando-o de seu interior e levando-a para outra
região no espaço, neste caso, o lado de fora da geladeira.
Isto é feito movendo um fluido - o refrigerante -
entre reservatórios quentes e frios, e mudando seu estado de líquido para
gasoso. O refrigerante em estado líquido passa por uma válvula de expansão, que
diminui sua pressão e temperatura à medida que a expansão o faz passar para o
estado gasoso. O refrigerante agora frio passa através dos canos em formato de
bobina do evaporador no interior da caixa da geladeira, absorvendo o calor
desse ambiente fechado. O refrigerante é então novamente comprimido por um
compressor alimentado por eletricidade, elevando ainda mais sua temperatura e
pressão e transformando-o de um gás em um líquido quente. O líquido quente
condensado, mais quente que o ambiente externo, flui através das serpentinas do
condensador na parte externa da geladeira, irradiando calor para o meio
ambiente. O líquido então reentra na válvula de expansão e o ciclo se repete.
Como se poderia
esperar, o refrigerador quântico é minúsculo, do tamanho de um chip, mas o
suficiente para guardar suas partículas atômicas e subatômicas. [Imagem: Manikandan et al. -
10.1103/PhysRevApplied.11.054034]
Geladeira
quântica supercondutora
A geladeira supercondutora é parecida. No entanto,
em vez de um refrigerante que passa de um estado líquido para gasoso, ela usa
os chamados pares de Cooper - elétrons que viajam emparelhados e parecem
explicar o próprio fenômeno da supercondutividade - fazendo-os emparelhar e
desemparelhar.
“Estamos fazendo exatamente a mesma coisa que uma geladeira
tradicional, mas com um supercondutor,”
explicou Manikandan.
Em vez de serpentinas, válvulas e um compressor,
tudo acontece em uma pilha de metais dispostos em camadas, colocados dentro de
uma geladeira de diluição criogênica, já fria.
A camada inferior da pilha é uma folha de nióbio
supercondutor, que funciona como um reservatório quente, semelhante ao ambiente
externo de um refrigerador tradicional. A camada intermediária é tântalo
supercondutor, que é a substância de trabalho, semelhante ao refrigerante da
geladeira tradicional. A camada superior é de cobre, que é o reservatório frio,
semelhante ao interior da geladeira tradicional.
Quando uma corrente elétrica é aplicada
paulatinamente ao nióbio, produz-se um campo magnético que penetra na camada de
tântalo, fazendo com que seus elétrons supercondutores se emparelhem, fazendo a
transição para seu estado normal e perdendo calor. A camada de tântalo agora
fria absorve o calor da camada de cobre, que se torna mais quente.
O campo magnético é então lentamente desligado,
fazendo com que os elétrons no tântalo se emparelhem e voltem a se transformar
em um estado supercondutor, e o tântalo fica mais quente que a camada de
nióbio. O excesso de calor é então transferido para o nióbio. O ciclo se
repete, mantendo uma temperatura baixa na camada superior de cobre.
Mas como a substância de trabalho no refrigerador
quântico é um supercondutor, “são os pares de Cooper no cobre que desemparelham e ficam
mais frios quando você aplica um campo magnético lentamente a temperaturas
muito baixas, levando o atual refrigerador de última geração [a geladeira de
diluição criogênica] a um patamar fundamental e arrefecendo-a ainda mais,”
explicou Manikandan.
Utilidades do refrigerador quântico supercondutor
Em vez de armazenar
alimentos, a geladeira quântica supercondutora poderá ser usada para armazenar
coisas como qubits, as unidades básicas dos computadores quânticos, que
precisam ser superfrios para não sofrerem interferências e perderem os dados.
Essa geladeira também
será útil para resfriar sensores quânticos, que medem a luz de
forma muito eficiente e são fundamentais em sensores muito delicados, como os
usados nos telescópios, ou para fazer imagens de tecidos profundos usando
aparelhos de ressonância magnética.
Bibliografia
Artigo: Superconducting Quantum Refrigerator: Breaking and Rejoining Cooper Pairs with Magnetic Field Cycles
Autores: Sreenath K. Manikandan, Francesco Giazotto, Andrew N. Jordan.
Artigo: Superconducting Quantum Refrigerator: Breaking and Rejoining Cooper Pairs with Magnetic Field Cycles
Autores: Sreenath K. Manikandan, Francesco Giazotto, Andrew N. Jordan.
Revista: Physical Review Applied.
Vol.: 11, 054034.
DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.054034.
