Pesquisa inovadora de professor de física mostra progresso significativo no tratamento de problemas de miniaturização
Quando pensamos em carregar uma bateria, normalmente imaginamos que a carga flui em uma direção. Por exemplo, quando conectamos nossos smartphones à noite, pensamos na carga fluindo da tomada para a bateria do telefone.
Embora isso seja verdade na física clássica do nosso mundo cotidiano, normalmente não é o caso no regime quântico. “Quando você está lidando com o quântico, o fluxo de energia é realmente simétrico”, explica o Dr. Shabir Barzanjeh, professor associado de física na Faculdade de Ciências da Universidade de Calgary.
“A energia oscila entre o carregador e a bateria.”
Quanto menor a escala, mais problemática essa simetria se torna. Em escalas micro e nano, ela pode reduzir muito a eficiência do processo de carregamento. Essas são precisamente as escalas nas quais Barzanjeh concentra sua pesquisa.
“Assim como as máquinas clássicas, muitos micro e nanodispositivos podem ser usados para capturar e armazenar energia”, explica Barzanjeh. “Lidar com as ineficiências do fluxo de energia simétrico é um obstáculo na construção de baterias menores que podem armazenar mais energia.”
Barzanjeh vem estudando esse desafio há algum tempo. Agora, em um artigo inovador publicado em Cartas de revisão física ele e seus colegas deram passos promissores em direção a uma solução. Selecionado como destaque do editor, o artigo representa um progresso significativo no tratamento de algumas dessas questões de miniaturização.
O novo processo — que Barzanjeh e seus colegas da Universidade de Gdansk, Borhan Ahmadi, Pawel Mazurek e Pawel Horodecki, propuseram — baseia-se na quebra da simetria de reversão do tempo por meio da não reciprocidade.
Vamos analisar mais de perto esses conceitos quânticos.
Simetria de reversão do tempo: para frente e para trás
Na simetria de reversão de tempo, um objeto ou processo é o mesmo se experimentado em qualquer direção. Por exemplo, um filme reproduzido para frente e para trás é fundamentalmente a mesma coleção de imagens e sons. Da mesma forma, a transmissão de energia passa pelo mesmo processo se estiver fluindo de uma tomada para uma bateria, ou da bateria de volta para a tomada.
A maioria dos sistemas na natureza está sujeita à simetria de reversão do tempo, e é assim que pensamos sobre o funcionamento do mundo: podemos entrar ou sair de uma sala, viajar para um destino e depois retornar dele, e assim por diante.
Não reciprocidade: uma via de mão única
A não reciprocidade ocorre quando a simetria de reversão do tempo é quebrada. De repente, um processo só pode se desenrolar de uma maneira, sem reversão possível. Imagine um filme que desapareceria completamente se você tentasse reproduzi-lo ao contrário, ou uma sala na qual você pode entrar – mas nunca sair.
O princípio da não reciprocidade tem sido há muito tempo uma ferramenta fundamental em diversas aplicações de tecnologia quântica. Ao permitir o fluxo unidirecional de sinais e energia, ele efetivamente suprime o “ruído” que frequentemente interfere em sistemas quânticos.
Essa técnica foi aplicada para isolar sistemas e informações para permitir computação quântica, medição ultrassensível com relógios atômicos e muito mais. Mas não foi aplicada efetivamente a baterias quânticas – até agora.
Trazendo a não reciprocidade para as baterias
O trabalho de Barzanjeh e o artigo resultante provam a capacidade de usar a não reciprocidade no carregamento e alavancagem de baterias quânticas. “Em um sistema não recíproco, toda a energia flui em uma direção, então não há refluxo”, ele explica.
Na busca pela miniaturização de baterias para micro e nanomáquinas, esse processo está pronto para ajudar de duas maneiras importantes. Primeiro, ele pode permitir baterias mais eficientes em termos de capacidade de carga e armazenamento. Segundo, ele pode gerar mais reduções no tamanho da bateria. Ambos os desenvolvimentos contribuirão para a melhoria contínua da computação quântica e das nanomáquinas.
“É emocionante fazer pesquisa em uma universidade onde estamos liderando o caminho em tantas descobertas e inovações quânticas”, diz Barzanjeh. “Estamos realmente vendo a UCalgary realizando seu potencial como uma inovadora quântica, e é ótimo fazer parte disso.”
