Radiação de calor em nanoescala desafia Lei de Planck

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/07/2013

O grupo trabalha com fibras ópticas ultrafinas para transportar informações quânticas, fibras estas que podem "fritar" se a dissipação do calor não for bem compreendida. [Imagem: Vienna University of Technology]

Onda de calor

A Física está decididamente sendo invadida por uma "onda de calor" - mais especificamente, sobre mudanças radicais na forma como a ciência compreende e interpreta o calor.

Depois de uma proposta inusitada para marcar o tempo pelo calor, demonstrou-se que o calor pode ser manipulado como se fosse luz, usando lentes e espelhos.

Mas as duas novidades mais radicais vieram com a demonstração, feita por equipes separadas, de que a energia pode ser transportada diretamente do frio para o calor e que, em escala atômica, o calor se concentra e não aquece todos os lugares.

Agora, Christian Wuttke e Arno Rauschenbeutel, da Universidadede Tecnologia de Viena, na Áustria, fizeram uma descoberta ainda mais surpreendente, que mexe com um dos pilares da física, a chamada Lei de Planck, ou "lei da radiação dos corpos negros".

Lei de Planck

Em 1900, o físico Max Planck estruturou uma fórmula que descreve a radiação de calor dos corpos como uma função da sua temperatura, estabelecendo as bases para a física quântica.

Sua teoria descreve a radiação de uma ampla variedade de objetos, da luz emitida pelas estrelas até a cor de uma bijuteria brilhante, passando pela invisível radiação de calor, que pode ser registrada com câmeras de infravermelho.

Mas, embora a teoria possa ser aplicada a muitos sistemas diferentes, o próprio Planck já sabia que ela não era universal e teria que ser substituída por uma teoria mais geral quando objetos muito pequenos fossem envolvidos.

Esses objetos muito pequenos começaram a ser envolvidos de fato nas pesquisas com o desenvolvimento das nanociências e com a criação das ferramentas para a nanotecnologia.

Em 2009, por exemplo, Sheng Shen e seus colegas do MIT demonstraram que, quando dois objetos muito pequenos ficam próximos o suficiente, abre-se um buraco na Lei de Planck, um fenômeno com possibilidades de aplicação em discos rígidos e na geração de energia termovoltaica:

• Na distância certa, nanotecnologia fica fora da lei

Lei geral da radiação termal

Agora, a dupla austríaca trabalhou não com distâncias, mas especificamente com a dimensão das partículas, conforme previsto por Planck.

E descobriram que, quando os objetos são menores do que o comprimento de onda da radiação termal, o calor não se irradia da "forma eficiente" verificada nos corpos maiores.

Ao verificar isto experimentalmente, os dois cientistas desenvolveram uma teoria mais genérica da radiação termal.

E não se trata apenas de uma teoria, a descoberta é importante para o gerenciamento do calor em nanodispositivos - nas dimensões que os processadores de computador estão chegando - e para a ciência dos aerossóis, micropartículas que ficam dispersas na atmosfera e que influenciam o clima.

"A radiação térmica de um pedaço de carvão pode ser descrita perfeitamente pela lei de Planck, mas o comportamento das partículas de fuligem na atmosfera só podem ser descritas por uma teoria mais geral, que pudemos agora confirmar em nosso experimento," disse Rauschenbeutel.

• Impacto dos aerossóis sobre o clima ainda é pouco conhecido

Fibras ópticas ultrafinas

O experimento consistiu em enviar luz através de fibras ópticas ultrafinas, com um diâmetro de apenas 500 nanômetros.

Os pesquisadores então mediram a quantidade de energia óptica que foi convertida em calor e, a seguir, irradiada para o ambiente.

"Pudemos mostrar que as fibras levam muito mais tempo para alcançar a temperatura de equilíbrio do que uma simples aplicação da lei de Planck poderia sugerir," disse Rauschenbeutel.

"Entretanto, nossos achados estão em perfeito acordo com a teoria mais geral da eletrodinâmica flutuacional, que permite levar a geometria e a dimensão do corpo em consideração," completou o pesquisador.

O grupo trabalha com fibras ópticas ultrafinas para transportar informações quânticas.

Para isso, é muito importante entender bem o comportamento termal dessas fibras porque qualquer variação no transporte efetivo do calor cria um risco real de que as fibras derretam-se quando os dados são transmitidos.

Bibliografia:

Thermalization via Heat Radiation of an Individual Object Thinner than the Thermal Wavelength
Christian Wuttke, Arno Rauschenbeutel
Physical Review Letters
Vol.: 111, 024301
DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.024301