En tilsyneladende makroskopisk overtrædelse af termodynamikkens anden lov i et kvantesystem

Forskere ved UCM og CSS er stødt på en delvis overtrædelse af termodynamikkens anden lov i et kvantesystem kendt som Hofstadter-gitteret. Denne delvise krænkelse har ingen plads inden for rammerne af klassisk fysik.

Et Hofstadter-gitter er en teoretisk model med et kvadratisk todimensionelt netværk, hvorigennem kvantepartikler som elektroner eller fotoner cirkulerer. I øvrigt, når en af ​​disse partikler fuldfører en lukket vej i netværket, partiklen får en kvantefase.

Dette system modellerer en klasse af todimensionelle materialer (svarende til grafen) med egenskaber så usædvanlige, at de er uden for den typiske klassifikation af ledere eller isolatorer, og beskrives i stedet som topologiske isolatorer.

En af de mest slående egenskaber, som dette system viser, er tilstedeværelsen af ​​kantstrømme, mens det indre ikke tillader nogen ledning. Ud over, disse kantstrømme er bemærkelsesværdigt stærke selv i tilstedeværelsen af ​​urenheder i materialet, som har sat dem på det videnskabelige samfunds radar til anvendelser inden for spintronik, fotonik og kvanteberegning.

I en artikel offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , forskere Ángel Rivas og Miguel A. Martin-Delgado fra Institut for Teoretisk Fysik ved UCM og CCS forklarer, at de har studeret de termodynamiske egenskaber af dette system ved at placere det i nærvær af to varmekilder, en varm og en kold. For at gøre det, de har formuleret en kvanteteori, der beskriver denne situation og løst de dynamiske ligninger.

Det, der forudsiger de teoretiske beregninger, er, at varmetransporten præsenterer en adfærd langt ud over de typiske træk ved klassisk termodynamik. Specifikt, på den ene kant af materialet induceres en strøm, der løber fra et koldt sted til et varmt sted. Dette er i modstrid med termodynamikkens anden lov, hvorunder det ikke er muligt for varme at flyde spontant fra en kold krop til en varmere.

Fra et teknologisk synspunkt, termodynamikkens anden lov begrænser den praktiske energieffektivitet af enheder som motorer, batterier, køleskabe, solceller, etc.

En delvis overtrædelse

Imidlertid, når resten af ​​kanterne og materialets indre tages i betragtning, den anden lov er genoprettet. Denne "delvise" krænkelse er en effekt af denne type eksotiske kvantesystem, som ikke passer ind i den klassiske fysiks rammer.

Desuden, disse strømme viser også robusthed over for tilstedeværelsen af ​​urenheder, der observerer visse symmetrimønstre relateret til placeringen af ​​de termiske kilder og den dissipative dynamik, de inducerer.

Dette nye fænomen, kaldet "dissipativ symmetribeskyttelse, " er aldrig blevet observeret før og kan give anledning til nye applikationer, der ikke kun er interessante, men af ​​praktisk nytte.

Forskningen foregår inden for en kvantesimuleringsramme, en disciplin, der søger at studere sådanne materialer gennem kunstige anordninger med lignende egenskaber opnået ved kvantekontrolteknikker, såsom fotoniske netværk og ultrakolde atomer.

Disse resultater vil føre til nye og uventede anvendelser i udviklingen af ​​kvanteteknologier, såsom kvantesimulatorer eller kvantehukommelser, giver mere stabilitet og fungerer under realistiske forhold med forbehold for temperaturudsving.