Physical Review E<\/em>, no qual os f\u00edsicos Daniel Valente, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas F\u00edsicas (CBPF), e Thiago Werlang, professor da Universidade Federal de Mato Grosso, investigam o fen\u00f4meno da termoforese em sistemas qu\u00e2nticos abertos.<\/p>\n\n\n\nA termoforese \u00e9 o processo pelo qual part\u00edculas se deslocam em resposta a um gradiente de temperatura, isto \u00e9, quando h\u00e1 regi\u00f5es mais quentes e mais frias no ambiente. As part\u00edculas tendem a se concentrar na regi\u00e3o fria, o que as organiza no espa\u00e7o. Partindo desse conceito, os autores do artigo analisaram como esse efeito pode surgir no regime qu\u00e2ntico. Eles descobriram que a presen\u00e7a do gradiente t\u00e9rmico pode organizar o estado qu\u00e2ntico do sistema, auxiliando na prepara\u00e7\u00e3o de estados qu\u00e2nticos em sistemas abertos fora do equil\u00edbrio.<\/p>\n\n\n\n
A pesquisa tamb\u00e9m explorou como a auto-organiza\u00e7\u00e3o das part\u00edculas devido ao gradiente t\u00e9rmico muda o estado do sistema a ponto de tornar-se um isolante t\u00e9rmico ideal. \u201cA computa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica depende muito da coer\u00eancia qu\u00e2ntica, da superposi\u00e7\u00e3o. E quando voc\u00ea tem calor envolvido, o calor tende a eliminar esse efeito qu\u00e2ntico e, assim, eliminar todo esse poder que se busca\u201d, explica Werlang. Segundo ele, o uso desse isolamento t\u00e9rmico auto-organizado pode permitir o desenvolvimento de mecanismos de prote\u00e7\u00e3o t\u00e9rmica para circuitos qu\u00e2nticos, preservando as propriedades necess\u00e1rias para o processamento de informa\u00e7\u00e3o.<\/p>\n\n\n\n
O trabalho \u00e9 resultado de uma colabora\u00e7\u00e3o cient\u00edfica que se estende por mais de uma d\u00e9cada. Valente e Werlang ingressaram juntos como docentes na Universidade Federal de Mato Grosso em 2013 e, desde ent\u00e3o, t\u00eam desenvolvido pesquisas em temas relacionados \u00e0 termodin\u00e2mica qu\u00e2ntica e a sistemas fora do equil\u00edbrio. O artigo, por\u00e9m, surgiu diretamente do doutorado de Maur\u00edcio Matos, estudante do programa de p\u00f3s-gradua\u00e7\u00e3o em F\u00edsica da institui\u00e7\u00e3o, co-orientado pelos dois pesquisadores. \u201cA gente vem trabalhando em temas correlatos a este j\u00e1 h\u00e1 12 anos\u201d, afirma Valente. \u201cTemos ideias muito parecidas e projetos de pesquisa muito similares.\u201d<\/p>\n\n\n\n
A investiga\u00e7\u00e3o sobre termoforese surgiu de forma inesperada. Inicialmente interessados no transporte de calor em sistemas qu\u00e2nticos elementares (como um \u00fanico \u00e1tomo sujeito a um gradiente t\u00e9rmico), os pesquisadores identificaram um comportamento an\u00f4malo. \u201cExistia um sistema em que a gente esperava ver transporte de calor e a gente viu um isolamento t\u00e9rmico\u201d, relata Valente. Em vez de permitir a passagem de energia do quente para o frio, o sistema se organizava para impedir o fluxo, funcionando como um isolante perfeito no regime estacion\u00e1rio.<\/p>\n\n\n\n
Al\u00e9m disso, observaram que o sistema tendia a se concentrar espontaneamente em um estado qu\u00e2ntico espec\u00edfico. \u201cEm vez de se configurar em uma mistura estat\u00edstica, ele se concentrava num \u00fanico estado puro e isso chamou nossa aten\u00e7\u00e3o\u201d, diz o pesquisador. A busca por explica\u00e7\u00f5es levou a equipe a explorar literatura de \u00e1reas aparentemente distantes, como a bioqu\u00edmica. Estudos sobre a auto-organiza\u00e7\u00e3o de macromol\u00e9culas de RNA sob gradientes t\u00e9rmicos sugeriram uma analogia profunda com o fen\u00f4meno observado.<\/p>\n\n\n\n
\u201cA gente percebeu que existia uma rela\u00e7\u00e3o n\u00e3o s\u00f3 verbal, mas matem\u00e1tica mesmo\u201d, afirma Valente. As equa\u00e7\u00f5es que descrevem o comportamento de part\u00edculas em ambientes bioqu\u00edmicos mostraram-se semelhantes \u00e0s equa\u00e7\u00f5es de movimento do sistema qu\u00e2ntico analisado. Essa conex\u00e3o in\u00e9dita entre termodin\u00e2mica qu\u00e2ntica e processos de auto-organiza\u00e7\u00e3o cl\u00e1ssicos abriu uma nova linha de investiga\u00e7\u00e3o. \u201cN\u00e3o era s\u00f3 mais um passo. Era realmente uma conex\u00e3o entre \u00e1reas que nunca tinham sido conectadas.\u201d<\/p>\n\n\n\n
A termoforese \u00e9 um fen\u00f4meno conhecido em contextos macrosc\u00f3picos. Em sistemas cl\u00e1ssicos, \u00e9 frequentemente observada em fluidos ou em processos biol\u00f3gicos. O desafio enfrentado pelos pesquisadores foi traduzir esse conceito para o dom\u00ednio qu\u00e2ntico, no qual os sistemas podem ser reduzidos a um \u00fanico \u00e1tomo. \u201cA gente n\u00e3o est\u00e1 falando necessariamente de um g\u00e1s com 10\u00b2\u00b3 \u00e1tomos, mas de um sistema microsc\u00f3pico\u201d, explica Werlang.<\/p>\n\n\n\n
Essa transposi\u00e7\u00e3o de conceitos faz parte de um esfor\u00e7o mais amplo da \u00e1rea de termodin\u00e2mica qu\u00e2ntica, que busca compreender como as leis tradicionais da f\u00edsica macrosc\u00f3pica se manifestam em escalas microsc\u00f3picas. O estudo de sistemas fora do equil\u00edbrio desempenha papel central nesse contexto. \u201cQuando eu estou falando de gradiente t\u00e9rmico, eu estou falando de um sistema que est\u00e1 fora do equil\u00edbrio termodin\u00e2mico\u201d, afirma Werlang. Segundo ele, investigar esses regimes pode trazer novos insights sobre processos de organiza\u00e7\u00e3o e auto-organiza\u00e7\u00e3o em n\u00edvel fundamental.<\/p>\n\n\n\n
Do ponto de vista tecnol\u00f3gico, uma das contribui\u00e7\u00f5es potenciais do trabalho est\u00e1 na prepara\u00e7\u00e3o controlada de estados qu\u00e2nticos. \u201cMuitas vezes a temperatura atrapalha esse processo. No nosso caso, a gente consegue mostrar que, sob certas condi\u00e7\u00f5es, ela pode ser uma forma de preparar o estado\u201d, diz Werlang. Em vez de ser vista apenas como uma fonte de ru\u00eddo ou decoer\u00eancia, a intera\u00e7\u00e3o com o ambiente pode tornar-se um recurso funcional.<\/p>\n\n\n\n
Valente destaca que essa perspectiva dialoga com propostas emergentes na \u00e1rea de computa\u00e7\u00e3o termodin\u00e2mica, que buscam utilizar gradientes t\u00e9rmicos e fluxos de energia como elementos ativos do processamento de informa\u00e7\u00e3o. \u201cExiste uma nova \u00e1rea surgindo que tenta usar fluxos de calor como o pr\u00f3prio hardware da m\u00e1quina que vai executar fun\u00e7\u00f5es de processamento\u201d, explica. Embora ainda incipiente, essa abordagem pode se beneficiar dos efeitos descritos no artigo.<\/p>\n\n\n\n
O modelo desenvolvido pelos pesquisadores tamb\u00e9m evidencia diferen\u00e7as importantes entre o comportamento cl\u00e1ssico e o qu\u00e2ntico. Em regimes de baixa temperatura, por exemplo, a for\u00e7a termofor\u00e9tica n\u00e3o depende apenas do gradiente t\u00e9rmico, mas tamb\u00e9m da natureza qu\u00e2ntica das part\u00edculas que comp\u00f5em o ambiente. \u201cSe o banho \u00e9 formado por part\u00edculas do tipo b\u00f3son ou f\u00e9rmion, isso faz um efeito relevante\u201d, afirma Valente. Essa depend\u00eancia introduz uma complexidade adicional, ao mesmo tempo em que amplia as possibilidades de controle experimental.<\/p>\n\n\n\n
Segundo Werlang, compreender a intera\u00e7\u00e3o entre o<\/ins> sistema e o<\/ins> ambiente \u00e9 essencial para descrever din\u00e2micas fora do equil\u00edbrio. \u201cMesmo que o sistema seja um \u00fanico \u00e1tomo, a forma como ele interage com o meio pode ser feita de maneiras diferentes. N\u00e3o basta dizer que o ambiente est\u00e1 a uma certa temperatura\u201d, observa. Essa riqueza de comportamentos torna os sistemas qu\u00e2nticos abertos um campo f\u00e9rtil para investiga\u00e7\u00f5es te\u00f3ricas e experimentais.<\/p>\n\n\n\nOs pr\u00f3ximos passos da pesquisa incluem tanto desdobramentos conceituais quanto tentativas de observa\u00e7\u00e3o experimental. Entre as propostas discutidas est\u00e3o experimentos com \u00e1tomos frios confinados em redes \u00f3pticas e o estudo de v\u00f3rtices em superfluidos. \u201cParece que d\u00e1 para levar esse tipo de fen\u00f4meno a ser revelado\u201d, afirma Valente. No entanto, desafios t\u00e9cnicos persistem, como a gera\u00e7\u00e3o de gradientes t\u00e9rmicos em escalas extremamente pequenas.<\/p>\n\n\n\n
A equipe tamb\u00e9m explora aplica\u00e7\u00f5es mais inusitadas, como o uso de conceitos de termoforese para orientar o movimento de pequenos rob\u00f4s. \u201cEstamos estudando o uso desse efeito para organizar sistemas rob\u00f3ticos de tamanho praticamente de uma moeda\u201d, conta Werlang. A proposta ilustra o potencial de transfer\u00eancia de conhecimento entre \u00e1reas distintas da ci\u00eancia.<\/p>\n\n\n\n
Para os pesquisadores, o estudo integra uma tradi\u00e7\u00e3o s\u00f3lida da f\u00edsica brasileira em temas relacionados \u00e0 informa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica e aos sistemas abertos. \u201cO Brasil sempre teve uma inser\u00e7\u00e3o significativa a n\u00edvel internacional\u201d, afirma Werlang, lembrando que contribui\u00e7\u00f5es te\u00f3ricas e experimentais v\u00eam sendo feitas desde antes do atual destaque midi\u00e1tico da computa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica.<\/p>\n\n\n\n
Valente ressalta ainda a import\u00e2ncia hist\u00f3rica de pesquisadores que ajudaram a fundar essa \u00e1rea no pa\u00eds. \u201cQuando a gente fala de perda de coer\u00eancia ou dissipa\u00e7\u00e3o em sistemas qu\u00e2nticos, lembra de nomes como Luiz Davidovich e Amir Caldeira\u201d, diz. Essa base consolidada, segundo ele, favorece a forma\u00e7\u00e3o de novas gera\u00e7\u00f5es de cientistas e a continuidade das pesquisas.<\/p>\n\n\n\n
No horizonte de longo prazo, a motiva\u00e7\u00e3o central do grupo envolve uma quest\u00e3o fundamental: como surge ordem em sistemas fora do equil\u00edbrio. \u201cToda vez que voc\u00ea tem uma fonte de energia, pode encontrar ordem espontaneamente\u201d, afirma Valente. Inspirar-se em fen\u00f4menos biol\u00f3gicos para projetar sistemas artificiais auto-organizados \u00e9 uma das ambi\u00e7\u00f5es que orientam os desdobramentos futuros. Ao revelar uma ponte conceitual entre termodin\u00e2mica qu\u00e2ntica, auto-organiza\u00e7\u00e3o e poss\u00edveis aplica\u00e7\u00f5es tecnol\u00f3gicas, o artigo \u201cThermophoresis in Elementary Open Quantum Systems\u201d<\/em> exemplifica como investiga\u00e7\u00f5es fundamentais podem abrir novas perspectivas para \u00e1reas estrat\u00e9gicas da ci\u00eancia e da inova\u00e7\u00e3o como a computa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica.<\/p>\n\n\n\nAssista \u00e0 entrevista com o pesquisador Thiago Werlang<\/h2>\n\n\n\n