Um curioso guia para o observador da mecânica quântica, ponto 7: O século quântico

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Aurich Lawson / Getty Images

Uma das revoluções mais silenciosas do nosso século atual foi a entrada da mecânica quântica em nossa tecnologia cotidiana. Antigamente, os efeitos quânticos ficavam confinados a laboratórios de física e experimentos delicados. Mas a tecnologia moderna depende cada vez mais da mecânica quântica para sua operação básica, e a importância dos efeitos quânticos só aumentará nas próximas décadas. Como tal, o físico Miguel F. Morales assumiu a tarefa hercúlea de explicar a mecânica quântica para leigos nesta série de sete partes (sem matemática, prometemos). Abaixo está o final da série, mas você sempre pode encontrar a história inicial mais um página de destino de toda a série no local.

O futuro já está aqui – só não está distribuído de maneira muito uniforme –William Gibson

Como construtores de ferramentas, só muito recentemente conseguimos usar a mecânica quântica. Compreender e manipular dispositivos quânticos tem sido como obter uma nova superpotência inebriante – há tantas coisas que podemos construir agora que seriam impossíveis apenas alguns anos atrás.

Encontramos algumas dessas tecnologias quânticas nos artigos anteriores. Alguns deles, como os pontos quânticos nas TVs, já estão se tornando comuns; outros, como relógios ópticos, existem, mas ainda são muito raros.

Como este é o último artigo em esta série, Eu gostaria de olhar para um futuro próximo, onde as tecnologias quânticas provavelmente irão infundir nossa existência cotidiana. Não é preciso ir muito longe – todas as tecnologias que vamos explorar hoje já existem. Muitos deles ainda são raros, isolados em laboratórios ou como demonstradores de tecnologia. Outros estão escondidos à vista de todos, como a máquina de ressonância magnética do hospital local ou o disco rígido em sua mesa. Neste artigo, vamos nos concentrar em algumas das tecnologias que não encontramos em artigos anteriores: supercondutividade, polarização de partículas e eletrônica quântica.

Ao olharmos para essas tecnologias quânticas, imagine como será viver em um mundo onde dispositivos quânticos estão por toda parte. O que significará ser tecnicamente alfabetizado quando conhecer a mecânica quântica é um pré-requisito para a compreensão da tecnologia cotidiana?

Então, peguem seus binóculos e vejamos as tecnologias quânticas chegando ao próximo cume.

Supercondutores

Em um fio condutor normal, você pode conectar uma bateria e medir a rapidez com que os elétrons se movem através dela (a corrente ou número e velocidade dos elétrons). É necessário um pouco de pressão (voltagem) para empurrar os elétrons e, fazendo isso, o empurrão libera um pouco de calor – pense no brilho vermelho das espirais em um aquecedor ou secador de cabelo. A dificuldade de empurrar os elétrons através de um material é a resistência.

Mas sabemos que os elétrons se movem como ondas. À medida que você resfria todos os átomos de um material, o tamanho das ondas de elétrons que transportam a corrente elétrica aumenta. Uma vez que a temperatura fica suficientemente baixa, essa ondulação pode passar de uma sutileza irritante a uma característica definidora dos elétrons. De repente, as ondas de elétrons se emparelham e se movem sem esforço através do material – a resistência cai para zero.

A temperatura na qual a ondulação dos elétrons assume depende do cristal em que os elétrons estão, mas é sempre frio, envolvendo temperaturas nas quais gases como nitrogênio ou hélio se tornam líquidos. Apesar do desafio de manter as coisas assim frias, a supercondutividade é uma propriedade tão incrível e útil que a estamos usando de qualquer maneira.

Eletroímãs. O uso mais difundido da supercondutividade é para os eletroímãs em máquinas de MRI (Imagem por Ressonância Magnética). Quando criança, você pode ter feito um eletroímã enrolando um fio em torno de um prego e prendendo o fio a uma bateria. O ímã em uma máquina de ressonância magnética é semelhante, pois é apenas uma grande bobina de fio. Mas quando você tem ~ 1000 Amps de corrente fluindo através do fio, manter o ímã funcionando torna-se caro. Normalmente acabaria parecendo o maior aquecedor de ambiente do mundo.

Portanto, a resposta é usar um fio especial e resfriá-lo em hélio líquido. Quando estiver supercondutor, você pode conectá-lo a uma fonte de energia e aumentar a corrente (isso leva de 2 a 3 dias – há um ótimo vídeo de conectar um ímã de ressonância magnética) Então você desconecta o ímã e ir embora. Como não há resistência, a corrente continuará a fluir enquanto você mantiver o ímã frio. Quando um hospital instala uma nova ressonância magnética, o ímã é ligado quando é instalado, depois é desconectado e deixado ligado pelo resto de sua vida.

Um ímã supercondutor usado para um detector de partículas. "Src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2020/08/D0740215-magnet-HR-640x427.jpg "largura =" 640 "altura = "427" srcset = "https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2020/08/D0740215-magnet-HR-1280x854.jpg 2x
Prolongar / Um ímã supercondutor usado para um detector de partículas.

Embora as máquinas de ressonância magnética sejam os exemplos mais visíveis, os ímãs supercondutores são bastante comuns. Qualquer bom laboratório ou departamento de química terá vários ímãs supercondutores em suas máquinas de ressonância magnética nuclear (NMR) e espectrômetros de massa. Ímãs supercondutores alinham 18 km do Grande Colisor de Hádrons e aparecem de outras maneiras nos departamentos de física. Quando tínhamos um projeto apertado, pegamos um ímã supercondutor no beco de armazenamento atrás do meu laboratório e o reformamos. Os físicos recebem catálogos lustrosos de fabricantes de ímãs supercondutores.

Linhas de transmissão. A próxima aplicação óbvia é esticar um fio supercondutor e usá-lo para transportar eletricidade. Existem vários projetos de demonstração em todo o mundo que usam linhas de energia supercondutoras. Como na maioria das aplicações industriais, é apenas uma questão de encontrar casos em que o desempenho de um supercondutor valha seu alto preço. À medida que o preço cai, as linhas de transmissão supercondutoras de longa distância podem se tornar cruciais à medida que adicionamos mais energia solar e eólica renováveis ​​à rede – a capacidade de enviar energia sem perdas a longas distâncias pode equilibrar as variações locais na produção de energia renovável.

Geradores e motores. Se você tem ímãs supercondutores incrivelmente fortes, deve usá-los em geradores e motores elétricos. O resfriamento, como sempre, é um problema, mas os ímãs muito mais fortes podem tornar o motor / geradores significativamente menores e mais eficientes. Isso é particularmente atraente para turbinas eólicas (peso reduzido na torre) e acionamentos elétricos para barcos e aeronaves (peso reduzido e eficiência aprimorada).

Fonte: Ars Technica