Los investigadores de UCM y CSS han encontrado una violación parcial de la segunda ley de la termodinámica en un sistema cuántico conocido como celosía de Hofstadter. Esta violación parcial no tiene cabida en el marco de la física clásica.
Una red de Hofstadter es un modelo teórico con una red bidimensional cuadrada a través de la cual circulan partículas cuánticas como electrones o fotones. Es más, cuando una de estas partículas completa un camino cerrado en la red, la partícula adquiere una fase cuántica.
Este sistema modela una clase de materiales bidimensionales (similares al grafeno) con propiedades tan inusuales que están fuera de la clasificación típica de conductores o aislantes. y en su lugar se describen como aislantes topológicos.
Una de las propiedades más llamativas que muestra este sistema es la presencia de corrientes de borde, mientras que el interior no permite ninguna conducción. Además, estas corrientes de borde son notablemente fuertes incluso en presencia de impurezas en el material, lo que los ha puesto en el radar de la comunidad científica para aplicaciones en espintrónica, fotónica y computación cuántica.
En un artículo publicado en la revista Informes científicos , Los investigadores Ángel Rivas y Miguel A. Martín-Delgado del Departamento de Física Teórica de la UCM y CCS explican que han estudiado las propiedades termodinámicas de este sistema colocándolo en presencia de dos fuentes de calor, uno caliente y otro frío. Para hacerlo han formulado una teoría cuántica que describe esta situación y han resuelto las ecuaciones dinámicas.
Lo que predice los cálculos teóricos es que el transporte de calor presenta un comportamiento mucho más allá de las características típicas de la termodinámica clásica. Específicamente, en un borde del material se induce una corriente que fluye desde un punto frío a un punto caliente. Esto es contrario a la segunda ley de la termodinámica, bajo el cual no es posible que el calor fluya espontáneamente de un cuerpo frío a uno más caliente.
Desde un punto de vista tecnológico, la segunda ley de la termodinámica limita la eficiencia energética práctica de dispositivos como motores, baterías refrigeradores, células solares, etc.
Una infracción parcial
Sin embargo, cuando se tienen en cuenta el resto de los bordes y el interior del material, la segunda ley es restaurada. Esta violación "parcial" es un efecto de este tipo de sistema cuántico exótico que no encaja en el marco de la física clásica.
Es más, estas corrientes también muestran robustez a la presencia de impurezas que observan ciertos patrones de simetría relacionados con la posición de las fuentes térmicas y la dinámica disipativa que inducen.
Este nuevo fenómeno, llamado "protección de simetría disipativa, "nunca se ha observado antes y podría dar lugar a nuevas aplicaciones que no solo son interesantes sino de utilidad práctica".
La investigación tiene lugar dentro de un marco de simulación cuántica, una disciplina que busca estudiar dichos materiales a través de dispositivos artificiales con características similares obtenidos por técnicas de control cuántico, como las redes fotónicas y los átomos ultrafríos.
Estos resultados conducirán a aplicaciones nuevas e inesperadas en el desarrollo de tecnologías cuánticas, como simuladores cuánticos o memorias cuánticas, presentando más estabilidad y operando en condiciones realistas sujeto a fluctuaciones de temperatura.
