Inversión del Flujo en un Sistema Cuántico

En la Física Clásica, las leyes termodinámicas determinan cuál será el flujo de materia o energía. Básicamente, se puede resumir con la famosa máxima: "La naturaleza aborrece el vacío". Todos los flujos tienden a homogeneizar las distintas regiones del espacio. Por ejemplo, si consideramos diferentes cuerpos en contacto, ambos alcanzarán las mismas temperaturas y, en este punto, se dice que están en equilibrio termodinámico entre sí. En un sistema, su estado de equilibrio termodinámico viene determinado por propiedades intensivas como la temperatura, la presión, el volumen, etc. Cuando el sistema está en equilibrio termodinámico, tiende a permanecer en este estado infinitamente y no cambiará espontáneamente.

El ejemplo más conocido de la termodinámica clásica de no equilibrio es la afirmación de Clausius: "Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo más frío a otro más caliente". En otras palabras, la segunda ley de la termodinámica está diciendo que el calor no puede fluir de un baño frío a otro caliente. Esta afirmación está diciendo que un cuerpo macroscópico en equilibrio se caracteriza por un único parámetro: su temperatura. Cuando se ponen en contacto dos objetos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío.

Sin embargo, en los materiales cuánticos, parece que hay que revisar los conceptos termodinámicos. En ellos, los estados de la materia pueden entrar en una superposición coherente. Cuando un observador clásico mide un sistema a nanoescala, esta interacción destruye la mayor parte de la coherencia dentro del sistema y altera su respuesta dinámica.

Corrientes de partículas y de energía en estado estacionario. Las imágenes muestran la corriente de calor trazada como una superficie curva y la corriente de energía inferior se ha proyectado en el plano inferior. Una corriente positiva (roja) representa que el calor fluye de izquierda a derecha. Una corriente positiva indica que una corriente anular de partículas fluye en el sentido de las agujas del reloj.

Un equipo dirigido por Ángel Rubio, de Alemania, demuestra que los flujos de corriente y calor no sólo pueden ser dictados por la temperatura y el gradiente de potencial, sino también por la acción externa de un observador cuántico local que controla la coherencia del dispositivo. Los investigadores demostraron que la dirección de las corrientes de calor y de partículas puede controlarse de forma independiente. De hecho, la corriente y el flujo de calor en un material cuántico pueden ir en contra de los gradientes naturales de temperatura y tensión.

"Al principio, pensamos que era un error. Esperábamos encontrarnos con cambios y pensamos que sería posible detener el transporte, pero no esperábamos que se produjera un cambio completo del flujo. Estos cambios en la dirección de la corriente también pueden realizarse de forma controlada. Dependiendo de dónde se inserte el observador, el flujo puede cambiar, pero hay zonas específicas en el dispositivo en las que, a pesar de mirar, la dirección no cambia. [...] Hemos propuesto un modelo sencillo, y la teoría puede verificarse fácilmente porque se conservan todos los flujos de energía y entropía. Llevar a cabo este proceso de forma experimental sería otra cuestión. Aunque el tipo de dispositivo que habría que diseñar existe, y producirlo sería factible, ahora mismo no hay posibilidad de hacerlo de forma controlada".

Ángel Rubio, profesor del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia, con sede en Hamburgo.

Este trabajo reciente está indicando que existen nuevas posibilidades para el control del transporte cuántico más allá de los depósitos térmicos clásicos. Las observaciones cuánticas dinámicas ilustran cómo podemos crear y controlar la direccionalidad de la inyección de corrientes en los nanodispositivos. Este esquema proporciona estrategias novedosas para construir dispositivos cuánticos con aplicaciones en termoelectricidad, inyección espintrónica, fonónica y detección, entre otras. En particular, podría lograrse una inyección de espín altamente eficiente y selectiva mediante técnicas de proyección local de espín.

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