As ligações entre a termodinâmica e a mecânica quântica mostram-se interessantes tópicos de pesquisa desde os anos 50 e tem atraído cada vez mais atenção nos últimos anos, tanto por suas possíveis aplicações tecnológicas, quanto pelo aspecto teórico - como, por exemplo, as relações de sistemas quânticos com a segunda lei da termodinâmica. Para sistemas quânticos mesoscópicos, restritos apenas a um número relativamente pequeno de estados energéticos, torna-se necessária uma generalização da termodinâmica usual. Neste trabalho mostramos como construir uma máquina de Stirling no contexto de íons aprisionados. Para isso, faz-se necessária a engenharia de frequências dependentes do tempo do modo vibracional do íon, além da engenharia de reservatórios térmicos com temperaturas controladas. Após a construção da máquina de Stirling e do cálculo do trabalho e da eficiência associados apresentamos um protocolo para a medida da função de distribuição do trabalho que recorre às medidas dos níveis de energia eletrônicos do íon para, a partir dessas, extrair-se informação sobre o seu estado vibracional. / The connections between quantum mechanics and thermodynamics have been an interesting research topic since the 1950´s and began attracting more and more attention recently, not only for the technological applications, but also from a theoretical point of view - as, for instance, when dealing with the relations between quantum systems and the second law of thermodynamics. For mesoscopic (or even macroscopic) quantum systems, restricted to relatively few energy states, a generalization of the usual thermodynamics becomes necessary. In the present work we show how to engeneer a Stirling engine in an ionic trap. To achieve this we have to engeneer an ionic vibrational mode with a time dependent frequency, and simutaneously engeneer a thermal reservoir with controled temperatures. After the construction of the Stirling machine and the calculation of the associated work and efficiency, we show a protocol that allows the measurement of the work distribution function which call on the measurement of the electronic energy levels of the ion and, from them, extract information about the vibrational state of the trap.

As ligações entre a termodinâmica e a mecânica quântica mostram-se interessantes tópicos de pesquisa desde os anos 50 e tem atraído cada vez mais atenção nos últimos anos, tanto por suas possíveis aplicações tecnológicas, quanto pelo aspecto teórico - como, por exemplo, as relações de sistemas quânticos com a segunda lei da termodinâmica. Para sistemas quânticos mesoscópicos, restritos apenas a um número relativamente pequeno de estados energéticos, torna-se necessária uma generalização da termodinâmica usual. Neste trabalho mostramos como construir uma máquina de Stirling no contexto de íons aprisionados. Para isso, faz-se necessária a engenharia de frequências dependentes do tempo do modo vibracional do íon, além da engenharia de reservatórios térmicos com temperaturas controladas. Após a construção da máquina de Stirling e do cálculo do trabalho e da eficiência associados apresentamos um protocolo para a medida da função de distribuição do trabalho que recorre às medidas dos níveis de energia eletrônicos do íon para, a partir dessas, extrair-se informação sobre o seu estado vibracional. / The connections between quantum mechanics and thermodynamics have been an interesting research topic since the 1950´s and began attracting more and more attention recently, not only for the technological applications, but also from a theoretical point of view - as, for instance, when dealing with the relations between quantum systems and the second law of thermodynamics. For mesoscopic (or even macroscopic) quantum systems, restricted to relatively few energy states, a generalization of the usual thermodynamics becomes necessary. In the present work we show how to engeneer a Stirling engine in an ionic trap. To achieve this we have to engeneer an ionic vibrational mode with a time dependent frequency, and simutaneously engeneer a thermal reservoir with controled temperatures. After the construction of the Stirling machine and the calculation of the associated work and efficiency, we show a protocol that allows the measurement of the work distribution function which call on the measurement of the electronic energy levels of the ion and, from them, extract information about the vibrational state of the trap.

Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2016. / Termodinâmica Quântica é uma área emergente da Física que está associada a aplicação dos princípios termodinâmicos a sistemas que são geralmente pequenos, estão longe do equilíbrio térmico e nos quais efeitos quânticos são relevantes. Este novo campo de pesquisa deve contribuir substancialmente para o entendimento dos limites das novas tecnologias quânticas que envolvem processamento de informação, comunicação, metrologia, entre outras aplicações. No limite de pequenos sistemas longe do equilíbrio, flutuações de energia adquirem grande importância e quantidades termodinâmicas como trabalho, calor e produção de entropia tornam-se variáveis estocásticas regidas por teoremas de flutuação, sendo que o acesso às distribuições de probabilidade dessas flutuações é essencial para caracterizar completamente a termodinâmica de um processo fora do equilíbrio. Em um outro desenvolvimento, a possibilidade de aquisição e uso de informação sobre estados microscópicos foi incorporada na descrição teórica dos teoremas de flutuação, dando origem a contundentes conexões entre Termodinâmica e Teoria de Informação. Essas conexões possibilitam, entre outras coisas, obter uma expressão quantitativa em termos de variáveis microscópicas para o conceito filosófico da seta do tempo em um sistema quântico e entender, de um ponto de vista bastante fundamental, de onde emerge a assimetria entre passado e futuro, possibilitando também que se projete um sistema de feedback (retroalimentação) que pode operar como um demônio de Maxwell genuíno. Embora haja uma intensa atividade teórica na área, experimentos em Termodinâmica Quântica tem demorado a aparecer devido à dificuldade de acesso a flutuações de energia durante a evolução de sistemas quânticos fora do equilíbrio. Aplicações da técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) que desenvolvemos nesta tese são capazes de contornar essa dificuldade. A partir dessas técnicas, reportamos a realização dos primeiros experimentos em Termodinâmica Quântica, incluindo a comprovação experimental dos teoremas de flutuação no regime quântico, a observação da emergência da seta do tempo (caracterizada pela produção de entropia) em um sistema quântico fechado não autônomo, a construção de uma máquina térmica quântica empregando spins nucleares e a implementação de um demônio de Maxwell em regime quântico. O estudo da Termodinâmica Quântica ainda está em sua infância e, por ser tão novo, ainda há divergências (em parte da comunidade) sobre alguns conceitos. Esperamos que essa tese contribua experimentalmente e teoricamente para avançar a noção de que as definições de grandezas termodinâmicas devem ser consistentes com os teoremas de flutuação, que continuam válidos no regime quântico e de poucas partículas. Em nossa opinião esses teoremas junto com as relações entre informação e energia formam o arcabouço teórico fundamental para o avanço da área. / Quantum Thermodynamics is an emerging topic in Physics, associated with applying the principles of Thermodynamics to systems that are usually small, far from thermal equilibrium and for which quantum effects are relevant. This new research field should give substantial contributions to understanding the limits and limitations of new quantum technologies involving information processing, communication, metrology, among others. In the limit of small systems far from equilibrium, energy fluctuations become very important and thermodynamical quantities such as work, heat and entropy production are treated as stochastic variables obeying fluctuation theorems. The possibility to access the probability distribution of fluctuations is essential to fully characterise the thermodynamics of an out-of-equilibrium process. In a related approach, the possibility to acquire and use information has been included in the theoretical framework of fluctuation theorems, paving the way for powerful connections between Thermodynamics and Information Theory. Such connections enable us, among other things, to derive a quantitative expression in terms of microscopic variables for the philosophical concept known as the arrow of time in a quantum system, and to understand in a fundamental level the origin of the asymmetry between past and future. These ideas can be used to design a feedback mechanism able to act as a genuine Maxwell demon. Even though there is intense theoretical activity, experiments in Quantum Thermodynamics have been taking a long time to appear, due to the difficulty in measuring energy fluctuations during an out-of-equilibrium quantum system evolution. However, techniques from Nuclear Magnetic Resonance (NMR) developed for this thesis are able to circumvent that problem. Using them, we report the first experiments in Quantum Thermodynamics, including the verification of the fluctuation theorems, the observation of the emergence of the arrow of time (quantified by entropy production) in a closed non-autonomous quantum system, the implementation of a quantum thermal machine using nuclear spins and the realization of a Maxwell demon in the quantum domain. The field of Quantum Thermodynamics is still in its infancy, and there are divergences (in part of the community) about some of its concepts. We hope that this thesis can contribute experimentally and theoretically to advance the notion that the definitions of thermodynamical quantities must be consistent with the fluctuation theorems, which remain valid in the the quantum, low-particle-number regime. It is our opinion that these theorems, together with relations between information and energy, form the fundamental theoretical framework that will help advance the field.

Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017.

Orientador: Prof. Dr. Fernando Luis da Silva Semião / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2018.

Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2018.