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Nos últimos anos, pesquisas foram conduzidas em tecnologias quânticas que exploram as propriedades da mecânica quântica de entidades microscópicas. A termodinâmica quântica é um campo notável neste domínio. Dentro deste campo, motores térmicos quânticos e baterias quânticas, aproveitando características quânticas, foram estudados teoricamente e testados na prática. Um indicador crítico do desempenho de tais dispositivos é a magnitude da corrente de calor (calor transferido por unidade de tempo) que flui do ambiente para o sistema quântico à medida que o tamanho do sistema aumenta. No entanto, o limite fundamental da corrente de calor que flui para tal conjunto de sistemas quânticos permanece indefinido.
Neste estudo, os pesquisadores derivaram matematicamente uma nova desigualdade que define o limite da corrente de calor que flui para um sistema quântico. Com base nesta desigualdade, eles demonstraram que, à medida que um sistema quântico incorpora um número crescente de partículas, a corrente de calor que flui para o sistema não aumenta mais rapidamente do que uma função cúbica da contagem de partículas.
Além disso, eles derivaram uma desigualdade aplicável sob condições mais realistas, em que a corrente de calor não aumenta mais rapidamente do que uma função quadrada da contagem de partículas. Curiosamente, o fenômeno relacionado à radiação energética denominado “super-radiância” foi identificado como o mecanismo mais eficiente para atingir o limite fundamental da corrente de calor derivado neste estudo.
Embora pesquisas anteriores tenham sugerido um aumento não linear da corrente de calor em relação à contagem de partículas em vários cenários específicos, este estudo é pioneiro na identificação de um limite fundamental que é universalmente aplicável. Notavelmente, essas descobertas podem ser fundamentais para resfriar motores associados a dispositivos quânticos e outras aplicações semelhantes.
Este trabalho foi apoiado por JSPS KAKENHI (No. 20H01827), Moonshot R&D da JST (No. JPMJMS2061) e JST PRESTO (No. JP-MJPR1919), Japão.
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