Segunda lei em cavidades ópticas e condensados de Bose-Einstein

Uma colaboração teorico-experimental envolvendo o Prof. Fernado Semião da UFABC e pesquisadores da USP, Suíca, Suecia, Reuino Unido, Austria e Alemanha, observou a produção de entropia em dois sistemas quânticos de escala intermediária, indicando que os sistemas passaram por um processo irreversível. O resultado foi publicado no Physical Review Letters e destacado como Editor's Sugestion. Máquinas clássicas como aquecedores não podem funcionar ao contrário - e efetivamente funcionar como refrigeradores - sem o aporte de energia extra. Tal cenário violaria a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia deve sempre aumentar. Em contraste, as equações da mecânica quântica implicam que os processos quânticos podem ser executados ao contrário. Atualmente, os pesquisadores não sabem como conciliar as duas estruturas.

Para tanto, um grupo internacional estudou experimentalmente dois sistemas quânticos de escala intermediária - um condensado de Bose-Einstein feito de 100.000 átomos de rubídio e uma cavidade optomecânica pesando menos de um milionésimo de grama. Eles colocaram cada sistema em contato com dois reservatórios de calor. Em ambos os casos, eles observaram que a entropia aumentava à medida que a energia entrava e saía do sistema. O resultado indica que sistemas quânticos de escala intermediária comportam-se irreversivelmente, como máquinas clássicas.

Como a produção de entropia não pode ser medida diretamente, a equipe primeiro desenvolveu um arcabouço teórico para calcular a entropia dos sistemas. Então usaram esta estrutura para inferir a produção de entropia resultante da troca de energia entre o BEC e dois reservatórios de calor e entre a cavidade e dois reservatórios. Medindo as energias dos dois sistemas, eles descobriram que a entropia aumentava em ambos. A equipe estudou esses dois sistemas porque ambos se parecem matematicamente com os osciladores harmônicos quânticos acoplados em contato com dois reservatórios de calor. A equipe diz que, no futuro, eles planejam monitorar a entropia de ambos os sistemas com resolução de tempo mais precisa, a fim de observar os sistemas à medida que se aproximam do estado estacionário.

Mais detalhes no artigo publicado:
M. Brunelli, L. Fusco, R. Landig, W. Wieczorek, J. Hoelscher-Obermaier, G. Landi, F. L. Semião, A. Ferraro, N. Kiesel, T. Donner, G. De Chiara, and M. Paternostro, Experimental Determination of Irreversible Entropy Production in out-of-Equilibrium Mesoscopic Quantum Systems, Phys. Rev. Lett. 121, 160604 (2018).