Eksperimenter påviser entropiproduktion i mesoskopiske kvantesystemer

Produktion af entropi, hvilket betyder at øge graden af ​​uorden i et system, er en ubønhørlig tendens i den makroskopiske verden på grund af termodynamikkens anden lov. Dette gør processerne beskrevet af klassisk fysik irreversible og, i forlængelse, pålægger en retning på tidens strøm. Imidlertid, tendensen gælder ikke nødvendigvis i den mikroskopiske verden, som er styret af kvantemekanik. Lovene i kvantefysikken er reversible i tid, så i den mikroskopiske verden, der er ingen præferenceretning for fænomenstrømmen.

Et af de vigtigste formål med nutidig videnskabelig forskning er at vide præcist, hvor overgangen sker fra kvanteverdenen til den klassiske verden, og hvorfor den sker - med andre ord, finde ud af, hvad der får produktionen af ​​entropi til at dominere. Dette mål forklarer den nuværende interesse for at studere mesoskopiske systemer, som ikke er så små som individuelle atomer, men ikke desto mindre udviser veldefineret kvanteadfærd.

En ny eksperimentel undersøgelse af forskere fra Brasilien og andre steder tilbyder et vigtigt bidrag til dette område. En artikel om det er for nylig blevet offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi studerede to systemer:et Bose-Einstein-kondensat med 100, 000 atomer indesluttet i et hulrum og et optomekanisk hulrum, der begrænser lys mellem to spejle, "Gabriel Teixeira Landi, professor ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP), fortalt.

Landi var en af ​​forskerne, der var ansvarlige for at udvikle en teoretisk model, der korrelerer produktionen af ​​entropi med målbare mængder for begge forsøg. Forskningen støttes af São Paulo Research Foundation — FAPESP. Bose-Einstein-kondensatet blev undersøgt ved det schweiziske føderale institut for teknologi (ETH Zürich), og hulrummet optomekanik blev undersøgt ved universitetet i Wien i Østrig.

Ofte kaldet "stofets femte tilstand" (de fire andre er faste stoffer, væsker, gasser og plasma), Bose-Einstein-kondensater opnås, når en gruppe atomer afkøles næsten til absolut nul. Under disse betingelser, partiklerne har ikke længere den frie energi til at bevæge sig i forhold til hinanden, og nogle af dem går ind i de samme kvantetilstande, bliver skelnes fra hinanden. Atomerne adlyder derefter den såkaldte Bose-Einstein-statistik, som normalt gælder for identiske partikler. I et Bose-Einstein-kondensat, hele gruppen af ​​atomer opfører sig som en enkelt partikel.

Et optomekanisk hulrum er dybest set en lysfælde. I dette særlige tilfælde, et af spejlene bestod af en nanometrisk membran, der kunne vibrere mekanisk. Dermed, eksperimentet involverede interaktioner mellem lys og mekanisk vibration. I begge systemer, der var to reservoirer, den ene varm og den anden kold, så varmen kunne strømme fra det ene til det andet.

"Begge situationer viste underskrifter på noget irreversibelt og viste derfor en stigning i entropi. Desuden de udviste irreversibilitet som en konsekvens af kvanteeffekter, "Landi sagde." Eksperimenterne tillod klart at adskille klassiske effekter fra kvanteudsving. "

Den største vanskelighed ved denne forskningslinje er, at entropiproduktion ikke kan måles direkte. I de pågældende forsøg, derfor, forskerne måtte konstruere et teoretisk forhold mellem entropiproduktion og andre fænomener, der signalerer irreversibilitet og er direkte målbare. I begge tilfælde, de valgte at måle fotoner, der lækker fra hulrummene, bevidst har brugt halvgennemsigtige spejle for at lade noget lys slippe ud.

De målte det gennemsnitlige antal fotoner inde i hulrummene og de mekaniske variationer i tilfælde af det vibrerende spejl.

"Kvantudsving bidrog til en stigning i irreversibilitet i begge forsøg, "Sagde Landi." Dette var en modintuitiv opdagelse. Det er ikke nødvendigvis noget, der kan generaliseres. Det skete i disse to tilfælde, men det er muligvis ikke gyldigt i andre. Jeg ser disse to eksperimenter som en første indsats for at gentænke entropi på denne form for platform. De åbner døren for yderligere eksperimenter med et mindre antal rubidiumatomer eller endnu mindre optomekaniske hulrum, for eksempel."

Informationstab og uorden

I en nylig teoretisk undersøgelse, Landi viste, hvordan klassiske udsving (vibrationer af atomer og molekyler, producerer termisk energi) og kvanteudsving kan forekomme samtidigt, uden nødvendigvis at bidrage til de samme resultater. Denne undersøgelse var en forløber for de to nye forsøg.

"Både kondensatet og det lysbegrænsende hulrum var mesoskopiske fænomener. Men i modsætning til andre mesoskopiske fænomener, de havde perfekt bevarede kvanteegenskaber takket være afskærmning mod miljøet. De, derfor, leverede kontrollerede situationer, hvor entropi -produktionskonkurrence mellem klassiske og kvantefænomener meget tydeligt kunne observeres, "Sagde Landi.

"Entropi kan tolkes på forskellige måder. Hvis vi tænker i form af information, en stigning i entropi betyder tab af information. Set fra termodynamikken, entropi måler graden af ​​uorden. Jo større entropi, jo større lidelse i systemet. Ved at kombinere disse to synspunkter, vi kan få en mere omfattende forståelse af fænomenet. "

Både Bose-Einstein-kondensatet og det optomekaniske hulrum er eksempler på såkaldte "kvantesimuleringsplatforme". Disse platforme gør det muligt for forskere at omgå en stor hindring for videnfremskridt, fordi der er vigtige systemer i naturen, som der findes beskrivende modeller for, men som der ikke kan forudsiges på grund af beregningsvanskeligheder. Det mest berømte eksempel er høj temperatur superledning. Ingen forstår, hvordan visse materialer kan opføre sig som superledere ved kogepunktet for flydende nitrogen (ca. -196 ° C).

De nye platforme giver kvanteenheder, der kan simulere disse systemer. Imidlertid, de gør det på en kontrolleret måde, eliminere alle komplicerende faktorer, og fokuser kun på de enkleste fænomener af interesse. "Denne idé om kvantesimulering har fanget markant de seneste år. Simuleringer spænder fra vigtige molekyler i medicin til centrale strukturer i kosmologi, "Sagde Landi.