Investigadores de la UCM y del Centro de Simulación Computacional (CCS) han encontrado una violación parcial de la segunda ley de la termodinámica en un sistema cuántico conocido como red de Hofstadter, una violación que no tiene cabida en el marco de la física clásica.
La red de Hofstadter es un modelo teórico con una red bidimensional cuadrada por donde circulan partículas cuánticas como electrones o fotones. Tiene la peculiaridad de que cuando una de estas partículas completa una trayectoria cerrada en la red, adquiere una fase cuántica.
Este sistema modela una clase de materiales bidimensionales (similares al grafeno) con propiedades tan exóticas que los dejan fuera de la clasificación usual de conductores o aislantes, respondiendo al nombre de aislantes topológicos.
Entre estas propiedades, una de las más notables es que presenta corrientes en el borde, mientras que el interior no permite conducción alguna. Además, estas corrientes de borde son extraordinariamente robustas ante la presencia de impurezas en el material, lo que las ha puesto en el punto de mira de comunidad científica para aplicaciones en espintrónica, fotónica y también en computación cuántica.
En un artículo que publica la revista Scientific Reports, los investigadores Ángel Rivas y Miguel A. Martin-Delgado, del Departamento de Física Teórica de la Universidad Complutense y del CCS (Center for Computational Simulation), explican que han estudiado las propiedades termodinámicas de este sistema situándolo en presencia de dos focos térmicos, uno caliente y otro frío. Para ello han formulado una teoría cuántica que describe esta situación y resuelto las ecuaciones dinámicas.
Lo que predicen los cálculos teóricos es que el transporte de calor presenta un comportamiento muy alejado de lo que se espera de la termodinámica clásica. Específicamente, sobre uno de los bordes del material se induce una corriente que fluye del foco frío al foco caliente, en contra de lo que establece la segunda ley de la termodinámica: no es posible que el calor fluya espontáneamente desde un cuerpo frío hacia un cuerpo más caliente.
Desde el punto de vista tecnológico, la segunda ley de la termodinámica limita la eficiencia energética alcanzable por dispositivos tales como motores, baterías, refrigeradores, células solares, etc.
La red de Hofstadter es un modelo teórico con una red bidimensional cuadrada por donde circulan partículas cuánticas como electrones o fotones. Tiene la peculiaridad de que cuando una de estas partículas completa una trayectoria cerrada en la red, adquiere una fase cuántica.
Este sistema modela una clase de materiales bidimensionales (similares al grafeno) con propiedades tan exóticas que los dejan fuera de la clasificación usual de conductores o aislantes, respondiendo al nombre de aislantes topológicos.
Entre estas propiedades, una de las más notables es que presenta corrientes en el borde, mientras que el interior no permite conducción alguna. Además, estas corrientes de borde son extraordinariamente robustas ante la presencia de impurezas en el material, lo que las ha puesto en el punto de mira de comunidad científica para aplicaciones en espintrónica, fotónica y también en computación cuántica.
En un artículo que publica la revista Scientific Reports, los investigadores Ángel Rivas y Miguel A. Martin-Delgado, del Departamento de Física Teórica de la Universidad Complutense y del CCS (Center for Computational Simulation), explican que han estudiado las propiedades termodinámicas de este sistema situándolo en presencia de dos focos térmicos, uno caliente y otro frío. Para ello han formulado una teoría cuántica que describe esta situación y resuelto las ecuaciones dinámicas.
Lo que predicen los cálculos teóricos es que el transporte de calor presenta un comportamiento muy alejado de lo que se espera de la termodinámica clásica. Específicamente, sobre uno de los bordes del material se induce una corriente que fluye del foco frío al foco caliente, en contra de lo que establece la segunda ley de la termodinámica: no es posible que el calor fluya espontáneamente desde un cuerpo frío hacia un cuerpo más caliente.
Desde el punto de vista tecnológico, la segunda ley de la termodinámica limita la eficiencia energética alcanzable por dispositivos tales como motores, baterías, refrigeradores, células solares, etc.
Violación parcial
Sin embargo, cuando se tiene en cuenta el resto de bordes y el interior del material, el resultado de la segunda ley se recupera. Esta violación “parcial” es un efecto propio de este tipo de sistemas cuánticos exóticos que no tiene cabida en el marco de la física clásica.
Además, estas corrientes también presentan robustez frente a un tipo de impurezas que cumplen ciertos patrones de simetría relacionados con la posición de los focos térmicos y la dinámica disipativa que estos inducen.
Este nuevo fenómeno, llamado "protección por simetrías disipativas", no ha sido nunca observado y podría dar lugar nuevos efectos no sólo de interés fundamental, sino de utilidad práctica.
El trabajo se enmarca en un escenario de simulación cuántica, una disciplina que busca el estudio de estos materiales mediante dispositivos de similares características realizados con técnicas de control cuántico, tales como como redes fotónicas y átomos ultrafríos.
Estos resultados incitan a nuevas e inesperadas aplicaciones en el desarrollo de tecnologías cuánticas tales como simuladores cuánticos o memorias cuánticas que presenten más robustez y operen en condiciones realistas sujetas a fluctuaciones térmicas.
Sin embargo, cuando se tiene en cuenta el resto de bordes y el interior del material, el resultado de la segunda ley se recupera. Esta violación “parcial” es un efecto propio de este tipo de sistemas cuánticos exóticos que no tiene cabida en el marco de la física clásica.
Además, estas corrientes también presentan robustez frente a un tipo de impurezas que cumplen ciertos patrones de simetría relacionados con la posición de los focos térmicos y la dinámica disipativa que estos inducen.
Este nuevo fenómeno, llamado "protección por simetrías disipativas", no ha sido nunca observado y podría dar lugar nuevos efectos no sólo de interés fundamental, sino de utilidad práctica.
El trabajo se enmarca en un escenario de simulación cuántica, una disciplina que busca el estudio de estos materiales mediante dispositivos de similares características realizados con técnicas de control cuántico, tales como como redes fotónicas y átomos ultrafríos.
Estos resultados incitan a nuevas e inesperadas aplicaciones en el desarrollo de tecnologías cuánticas tales como simuladores cuánticos o memorias cuánticas que presenten más robustez y operen en condiciones realistas sujetas a fluctuaciones térmicas.
Referencia
Topological Heat Transport and Symmetry-Protected Boson Currents. Ángel Rivas & Miguel A. Martin-Delgado, Scientific Reports 7, Article number: 6350 (2017). doi:10.1038/s41598-017-06722-x