Pesquisadores da Universidade de Stuttgart mostraram que o princípio de Carnot, pedra angular da termodinâmica, não se aplica totalmente a partículas correlacionadas no nível atômico. Seu trabalho revela que motores quânticos podem superar o limite tradicional de eficiência aproveitando correlações quânticas. Essa descoberta pode abrir caminho para motores nanométricos altamente eficientes.
O princípio de Carnot, estabelecido há quase dois séculos pelo físico francês Sadi Carnot, define a eficiência máxima teórica para motores térmicos com base em diferenças de temperatura. Ele faz parte da segunda lei da termodinâmica e se aplica a sistemas em grande escala, como turbinas a vapor e motores de combustão interna, que convertem energia térmica em movimento mecânico. Avanços na mecânica quântica permitiram o desenvolvimento de motores térmicos microscópicos, reduzindo-os a dimensões atômicas. O professor Eric Lutz e o Dr. Milton Aguilar do Instituto de Física Teórica I da Universidade de Stuttgart demonstraram agora que esse princípio falha em sistemas fortemente correlacionados na escala atômica. Em tais configurações, as partículas estão fisicamente ligadas, introduzindo efeitos quânticos não considerados na termodinâmica clássica. Os pesquisadores derivaram leis termodinâmicas generalizadas que incorporam correlações quânticas — conexões sutis entre partículas em sistemas minúsculos. Essas correlações permitem que motores quânticos convertam não apenas calor, mas também as próprias correlações em trabalho, excedendo o limite de Carnot. «Motores minúsculos, não maiores que um único átomo, podem se tornar realidade no futuro», diz o professor Lutz. Ele acrescenta: «Agora também é evidente que esses motores podem alcançar uma eficiência máxima superior à de motores térmicos maiores». Sua prova matemática foi publicada na Science Advances com o título «Correlated quantum machines beyond the standard second law». Essa pesquisa refina a física fundamental e sugere aplicações em motores quânticos ultrapequenos para tarefas como alimentar nanobots médicos ou manipular materiais átomo por átomo. Ao expandir o entendimento da eficiência na escala nanométrica, as descobertas destacam como efeitos quânticos podem aprimorar a conversão de energia em tecnologias futuras.