Investigadores del Departamento de Teoría del MPSD han realizado el control de corrientes térmicas y eléctricas en dispositivos a nanoescala mediante observaciones locales cuánticas.

La medición juega un papel fundamental en la mecánica cuántica. La ilustración más conocida de los principios de superposición y entrelazamiento es el gato de Schrödinger. Invisible desde el exterior el gato reside en una superposición coherente de dos estados, vivo y muerto al mismo tiempo.

Por medio de una medida, esta superposición colapsa a un estado concreto. El gato ahora está vivo o muerto. En este famoso experimento mental, una medida del "gato cuántico" puede verse como una interacción con un objeto macroscópico que colapsa la superposición en un estado concreto al destruir su coherencia.

En su nuevo artículo publicado en Materiales cuánticos npj , investigadores del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia y colaboradores de la Universidad del País Vasco (UPV / EHU) y el Centro de Ciencia Computacional de Materiales de Bremen descubrieron cómo un observador cuántico microscópico es capaz de controlar las corrientes térmicas y eléctricas en dispositivos a nanoescala. La observación cuántica local de un sistema puede inducir cambios continuos y dinámicos en su coherencia cuántica, lo que permite un mejor control de las corrientes de partículas y energía en sistemas a nanoescala.

La termodinámica clásica de no equilibrio se desarrolló para comprender el flujo de partículas y energía entre múltiples depósitos de calor y partículas. El ejemplo más conocido es la formulación de Clausius de la segunda ley de la termodinámica, indicando que cuando dos objetos con diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor fluirá exclusivamente del más caliente al más frío.

En objetos macroscópicos, la observación de este proceso no influye en el flujo de energía y partículas entre ellos. Sin embargo, en dispositivos cuánticos, Es necesario revisar los conceptos termodinámicos. Cuando un observador clásico mide un sistema cuántico, esta interacción destruye la mayor parte de la coherencia dentro del sistema y altera su respuesta dinámica.

En lugar de, si un observador cuántico actúa solo localmente, la coherencia cuántica del sistema cambia de forma continua y dinámica, proporcionando así otro nivel de control de sus propiedades. Dependiendo de qué tan fuertes y dónde se realicen estas observaciones cuánticas locales, Surgen nuevos y sorprendentes fenómenos de transporte cuántico.

El grupo del Prof.Dr. Angel Rubio en el Departamento de Teoría del MPSD, junto con sus compañeros, han demostrado cómo el concepto de medidas cuánticas puede ofrecer nuevas posibilidades para un control termodinámico del transporte cuántico (calor y partículas). Este concepto ofrece posibilidades mucho más allá de las que se obtienen con los depósitos térmicos clásicos estándar.

Los científicos estudiaron esta idea en un trinquete cuántico teórico. Dentro de este sistema, el lado izquierdo y derecho están conectados a baños termales fríos y calientes, respectivamente. Esta configuración fuerza a la energía a fluir de caliente a fría y a las partículas a fluir en el sentido de las agujas del reloj dentro del trinquete. La introducción de un observador cuántico, sin embargo, invierte la corriente del anillo de partículas contra la dirección natural del trinquete, un fenómeno causado por el estado electrónico localizado y la interrupción de la simetría del sistema.

Es más, la observación cuántica también puede invertir la dirección del flujo de calor, contradiciendo la segunda ley de la termodinámica. "Tal control de calor y corriente de partículas podría abrir la puerta a diferentes estrategias para diseñar dispositivos de transporte cuántico con control direccional de la inyección de corrientes. Podría haber aplicaciones en termoelectricidad, espintrónica, fotónica, y sintiendo, entre otros. Estos resultados han sido una contribución importante a mi tesis doctoral, "dice Robert Biele, primer autor del artículo.

Desde un punto de vista más fundamental, este trabajo destaca el papel de un observador cuántico. En contraste con el gato de Schrödinger, donde el estado coherente se destruye a través de la interacción con un "observador macroscópico, " aquí, introduciendo un observador cuántico local, la coherencia se cambia local y dinámicamente, permitiendo a los investigadores sintonizar entre los estados coherentes del sistema. "Esto muestra cómo la termodinámica es muy diferente en el régimen cuántico. La paradoja del gato de Schrödinger conduce a nuevas fuerzas termodinámicas nunca antes vistas, "dice César A. Rodríguez Rosario.

En el futuro cercano, los investigadores aplicarán este concepto para controlar los espines para aplicaciones en inyección de espines y nuevas memorias magnéticas. Angel Rubio sugiere que "El observador cuántico, además de controlar la transferencia de partículas y energía a nanoescala, también podría observar espines, seleccionar componentes individuales, y dan lugar a corrientes de espín polarizado sin acoplamiento espín-órbita. La observación podría usarse para escribir una memoria magnética ".