Receita para um Termómetro Quântico

Os físicos teóricos descrevem o melhor termómetro à nano escala permitido pelas leis da física para ajudar a física experimental a alargar os limites da tecnologia nas medições das temperaturas no interior das células ou dos minúsculos circuitos electrónicos.

Medindo a temperatura duma célula. Ao compreender as limitações fundamentais dos termómetros quânticos, os investigadores serão capazes de medir com mais precisão as variações de temperatura nas células. Esta imagem é de um estudo de 2013, que incorporando tanto um termómetro de nano diamante (círculo) e uma nano partícula de ouro (cruz) numa célula viva (linha pontilhada) mediu um aumento de temperatura localizado. As cores indicam a intensidade de fluorescência, embora a temperatura seja medida somente a partir da fluorescência do nano diamante (não mostrado).
Créditos: G Kuckso et al., Nature (London) 500, 54 (2013)

O termómetro à nano escala mais preciso é um sistema quântico com dois níveis de energia, de acordo com uma equipa de teóricos. Idealmente, há um único estado quântico fundamental num nível mais baixo de energia e muitos estados nalgum nível de energia mais alto. A equipa determinou os limites teóricos de precisão do termómetro numa série de cenários experimentais. O seu trabalho pode melhorar o design dos termómetros sensíveis que podem sondar a física na escala nano das reações químicas e biológicas, acompanhar as temperaturas elevadas nos circuitos eletrónicos, ou controlar as intervenções dentro das células que são alvo de tratamento médico.

Nos últimos dois anos, os pesquisadores desenvolveram termómetros quânticos que podem medir variações de temperatura na ordem de grandeza dos millikelvin (10^-3 kelvins) em todas as regiões à nano escala. Construíram esses termómetros a partir de pontos quânticos – pequenas ilhas de semicondutores dentro de impurezas sólidas maiores, ou em nano-cristais de diamante. Os termómetros têm, por exemplo, de medir as temperaturas de electrões semicondutores [referências 1 e, 2] e as variações térmicas no interior duma célula viva [3]. Na maioria dos casos, a técnica envolve em primeiro lugar deixar o termómetro equilibrar a temperatura da amostra e, em seguida, fazer as medições precisas de seu espectro ou detectando a sua fluorescência em função da temperatura.

Este trabalho experimental tem levantado dúvidas sobre a precisão final destes termómetros e que tipo de objecto faz o termómetro à nano escala ideal. Anna Sanpera e os seus colegas da Universidade Estadual de Barcelona em Espanha e Gerardo Adesso, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, estão convencidos de que agora obtiveram as respostas para essas perguntas. Usam uma nova abordagem teórica que combina ferramentas matemáticas da mecânica quântica e da termodinâmica.

“No fim de contas, os objectos que queremos medir afim de estimar a sua temperatura estão intimamente relacionados com a energia do termómetro”, diz o membro da equipa de Barcelona Luis Correa. A equipa demonstra que o termómetro mais sensível à nano escala tem a maior capacidade de calor, o que significa que pequenas mudanças na temperatura do ambiente têm um grande efeito sobre a sua energia.

Ao maximizar a capacidade de calor matematicamente, a equipa derivou uma expressão para a sensibilidade máxima dum termómetro à nano escala. Esta sensibilidade depende da configuração do nível de energia do termómetro e do número de estados quânticos disponíveis. Por exemplo, o termómetro de nano diamante que tem sido utilizado nas experiências tem um único estado fundamental e dois estados excitados com a mesma energia. A equipa descobriu que o termómetro mais preciso é um sistema com dois níveis de energia, como o nano diamante, mas onde a energia superior tem não apenas dois estados, mas um grande número deles.

No entanto, os pesquisadores encontraram uma relação inversa entre a precisão dum termómetro e a gama de temperaturas em que pode operar. Aumentar o número de estados excitados aumenta a precisão, mas também restringe a gama de temperatura na qual o termómetro opera com a máxima eficiência.

Note-se que é mais uma das (porventura inúmeras) implicações do Principio da Incerteza de Heisenberg.

A equipa sugere que um investigador poderia primeiro usar um termómetro com uma baixa precisão, mas numa ampla faixa de temperatura para determinar aproximadamente a temperatura da amostra. Em seguida, as sondas sucessivamente mais precisas podem ser utilizadas em diferentes localizações – por exemplo, num circuito ou numa célula – com o objectivo de mapear variações de temperatura menores em diferentes regiões da amostra.

Na realidade, pode não ser possível um termómetro equilibrar-se completamente em função da amostra devido, por exemplo, à temperatura poder variar ao longo do tempo. Neste caso, os pesquisadores pensam que um termómetro de dois níveis que começa muito frio e, portanto, no seu estado fundamental (ou próximo deste) antes de entrar em contacto com a amostra obterá a melhor precisão. Com uma quantidade limitada de tempo, também demonstram que a sonda deve ser verificada o mais rápido possível, com repetidos ciclos de resfriamento e de conexão com a amostra.

Correa diz que este trabalho vai ajudar os investigadores a descobrir onde podem melhorar as seus experiências. A melhoria da precisão em medições de temperatura poderia lançar luz sobre problemas como a dissipação de calor nos circuitos à nano escala e nos processos térmicos no interior das células.

Esse quadro teórico é um “importante passo em frente no desenvolvimento e utilização de termómetros mais confiáveis baseados em efeitos quânticos”, diz o experimentalista de física quântica Martin Kroner do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) em Zurique.

Ele explica que agora os pesquisadores têm técnicas para atingir as baixas temperaturas necessárias para observar fenómenos quânticos, e que os novos resultados abordam o próximo “problema muito difícil” de medir as temperaturas precisas desses sistemas.

Esta pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.220405

Referencias

1. F. Seilmeier, M. Hauck, E. Schubert, G. J. Schinner, S. E. Beavan, and A. Högele, “Optical Thermometry of an Electron Reservoir Coupled to a Single Quantum Dot in the Millikelvin Range,” Phys. Rev. Applied 2, 024002 (2014)

2. Florian Haupt, Atac Imamoglu, and Martin Kroner, “Single Quantum Dot as an Optical Thermometer for Millikelvin Temperatures,” Phys. Rev. Applied 2, 024001 (2014)

3. G. Kucsko, P. C. Maurer, N. Y. Yao, M. Kubo, H. J. Noh, P. K. Lo, H. Park, and M. D. Lukin, “Nanometre-scale thermometry in a living cell,” Nature 500, 54 (2013)