Implementação experimental de um refrigerador quântico otimizado por correlações não clássicas

Recentemente máquinas térmicas operando em regimes quânticos começaram a ser testadas em laboratório, em ambas configurações de motor e de refrigerador. Na configuração de motor, calor é retirado do ambiente quente e parte deste é depositado no ambiente frio, tendo como resultado a extração de trabalho do sistema quântico. Na configuração de refrigerador, o sistema quântico retira calor de um ambiente frio e o deposita em um ambiente quente, sendo necessário para isso a injeção de trabalho no sistema refrigerante. Máquinas térmicas quânticas são caracterizadas pelo fato de a substância de trabalho (ou refrigerante) ser composta por um sistema quântico operando em geral longe do equilíbrio. Além disso, podemos dizer que para utilizar o adjetivo quântico é necessário que as temperaturas e escalas de energia sejam tal que efeitos quânticos como interferência estejam presentes.  Esta dissertação é devotada a máquinas que operam segundo o ciclo de Otto quântico para realizar tarefas de refrigeração. Este ciclo é composto por duas operações "adiabáticas" realizadas através de transformações unitárias e duas termalizações. Apresentaremos e discutiremos resultados da implementação experimental de um refrigerador quântico utilizando qubits de spin. Além da inerente natureza quântica do refrigerador iremos explorar efeitos associados a correlações não clássicas iniciais e termalização parcial com o ambiente frio. Mostraremos que é possível obter uma melhora significativa de performance do refrigerador explorando essas correlações quânticas para acelerar a transferência de calor durante o processo de tematização parcial. Dessa forma correlações não clássicas funcionam como um ‘catalizador quântico’ do processo de refrigeração. Experimentos de prova de princípios foram realizados nos laboratórios de tecnologias quânticas da UFABC empregando a técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de estado líquido, na qual spins nucleares em amostra molecular fazem o papel da substância refrigerante. Até onde sabemos, este é o primeiro teste de princípios do emprego de correlações não clássicas para otimizar o processo de refrigeração de um sistema quântico. Os métodos desenvolvidos nesta dissertação podem ser aplicados em diferentes contextos envolvendo tecnologias quântica para obter alta potência de refrigeração. Em conjunto com outros resultados da literatura nossos trabalho corrobora o emprego de correlação não clássicas como um recurso extra em termodinâmica quântica.