Kontrol af varme- og partikelstrømme i nanodeapparater ved kvanteobservation

Forskere fra MPSD's teoriafdeling har indset styringen af ​​termiske og elektriske strømme i nanoskalaenheder ved hjælp af kvante lokale observationer.

Måling spiller en grundlæggende rolle i kvantemekanikken. Den mest kendte illustration af principperne for superposition og sammenfiltring er Schrödingers kat. Usynlig udefra, katten bor i en sammenhængende superposition af to tilstande, levende og død på samme tid.

Ved hjælp af en måling, denne superposition kollapser til en konkret tilstand. Katten er nu enten død eller i live. I dette berømte tankeeksperiment, en måling af "kvantekatten" kan ses som en interaktion med et makroskopisk objekt, der kollapser superpositionen til en konkret tilstand ved at ødelægge dens sammenhæng.

I deres nye artikel offentliggjort i npj Quantum Materials , forskere fra Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter og samarbejdspartnere fra University of the Basker Country (UPV/EHU) og Bremen Center for Computational Materials Science opdagede, hvordan en mikroskopisk kvanteobservator er i stand til at kontrollere termiske og elektriske strømme i nanoskalaenheder. Lokal kvanteobservation af et system kan fremkalde kontinuerlige og dynamiske ændringer i dets kvantesammenhæng, hvilket muliggør bedre kontrol af partikel- og energistrømme i nanoskala systemer.

Klassisk ikke-ligevægtstermodynamik blev udviklet for at forstå strømmen af ​​partikler og energi mellem flere varme- og partikelreservoirer. Det mest kendte eksempel er Clausius 'formulering af den anden termodynamiske lov, om, at når to genstande med forskellige temperaturer bringes i kontakt, varme vil udelukkende strømme fra den varmere til den koldere.

I makroskopiske objekter, observationen af ​​denne proces påvirker ikke strømmen af ​​energi og partikler mellem dem. Imidlertid, i kvanteindretninger, termodynamiske begreber skal revideres. Når en klassisk observatør måler et kvantesystem, denne interaktion ødelægger det meste af sammenhængen inde i systemet og ændrer dens dynamiske respons.

I stedet, hvis en kvanteobservator kun handler lokalt, systemets kvantesammenhæng ændres kontinuerligt og dynamisk, hvilket giver et andet niveau af kontrol over dets ejendomme. Afhængigt af hvor stærk og hvor disse lokale kvanteobservationer udføres, nye og overraskende kvantetransportfænomener opstår.

Gruppen af ​​Prof.Dr. Angel Rubio ved MPSD's teoriafdeling, sammen med deres kolleger, har demonstreret, hvordan begrebet kvantemålinger kan tilbyde nye muligheder for en termodynamisk styring af kvantetransport (varme og partikler). Dette koncept giver muligheder langt ud over dem, der opnås ved hjælp af klassiske klassiske termiske reservoirer.

Forskerne studerede denne idé i en teoretisk kvanteskralde. Inden for dette system, venstre og højre side er forbundet til varme og kolde termiske bade, henholdsvis. Denne konfiguration tvinger energien til at strømme fra varm til kold og partiklerne til at strømme med uret inde i skralden. Indførelsen af ​​en kvanteobservatør, imidlertid, vender partikelringstrømmen mod skraldenes naturlige retning-et fænomen forårsaget af den lokaliserede elektroniske tilstand og afbrydelse af systemets symmetri.

Desuden, kvanteobservationen er også i stand til at vende varmestrømningens retning, modsiger termodynamikkens anden lov. "Sådan varme- og partikelstrømstyring kan åbne døren for forskellige strategier til at designe kvantetransportenheder med retningskontrol af indsprøjtning af strømme. Der kan være applikationer inden for termoelektricitet, spintronics, fotonik, og fornemmelse, blandt andre. Disse resultater har været et vigtigt bidrag til min ph.d. -afhandling, "siger Robert Biele, første forfatter til papiret.

Fra et mere grundlæggende synspunkt, dette værk fremhæver rollen som en kvanteobservatør. I modsætning til Schrödingers kat, hvor den sammenhængende tilstand ødelægges via interaktionen med en makroskopisk "observatør, " her, ved at introducere en lokal kvanteobservatør, sammenhængen ændres lokalt og dynamisk, tillader forskere at stille ind mellem systemets sammenhængende tilstande. "Dette viser, hvordan termodynamik er meget forskellig i kvantestyret. Schrödingers katparadoks fører til nye termodynamiske kræfter, der aldrig er set før, "siger César A. Rodríguez Rosario.

I den nærmeste fremtid, forskerne vil anvende dette koncept til at kontrollere spins til applikationer i spin -injektion og nye magnetiske minder. Angel Rubio foreslår, at "Kvanteobservatøren - udover at kontrollere partikel- og energioverførslen på nanoskalaen - også kunne observere spins, vælge individuelle komponenter, og giver anledning til spin-polariserede strømme uden spin-kredsløbskobling. Observation kunne bruges til at skrive en magnetisk hukommelse. "