Quantum Field Machines with cold atoms

Resumo

Esta tese leva a cabo estudos no campo da termodinâmica quântica, propondo o conceito novo de Máquina de Campo Quântico, desenhada para executar tarefas específicas no domínio quântico. Para descrever completamente o comportamento desta máquina, são necessários conceitos de mecânica quântica e, ao mesmo tempo, ferramentas de física estatística, uma vez que não é viável descrever cada grau de liberdade do sistema individualmente.

Tais requerimentos fazem da Máquina de Campo Quântico uma genuina máquina térmica quântica que opera na intersecção da mecânica quântica e da termodinâmica. No contexto deste trabalho, a Máquina de Campo Quântico é um sistema de átomos frios constituído por três componentes. O propósito da MCQ é arrefecer uma destas componentes, usando duas operações básicas (designadas de primitivas) que encontram equivalência na termodinâmica clássica: A primeira operação é a compressão/expansão de uma das componentes (assemelhando-se a um pistão); a segunda operação consiste em acoplar um par de componentes para transferência de energia (assemelhando-se a uma válvula).

Neste trabalho, estudamos numericamente cada primitiva, bem como vários ciclos de arrefecimento, resultantes da operação da máquina. Também demonstramos a implementação experimental da prova-de-conceito de cada primitiva. Para isso, usamos condensados de Bose-Einstein unidimensionais gerados na plataforma Atomchip. Além disso, avaliamos ainda as consequências de migrar duas componentes independentes para o regime de acoplamento forte, onde fenómenos como fluxo de calor anómalo podem ser observados. Este trabalho abre caminho para futuras investigações em termodinâmica quântica e oferece ferramentas para estudar termodinâmica com sistemas quânticos e finitos, fora do usual limite termodinâmico.