Ruta de migas

jueves 5 de octubre de 2017

Hacen fluir la energía «a contracorriente», sin contradecir las leyes de la física, a escala cuántica

Una investigación en la que participa la UPV/EHU comprueba que el hecho de observar un flujo de energía o partículas puede cambiar su dirección

En un sistema termodinámico clásico, la corriente de calor fluye del cuerpo más caliente al más frío, o la electricidad del potencial más alto al más bajo. En los sistemas cuánticos ocurre lo mismo, pero este estado puede ser modificado, y el flujo de energía y partículas invertido, si se introduce un observador cuántico en el sistema. Ese es el principal resultado que ha obtenido el grupo del profesor Ángel Rubio de la UPV/EHU y del Instituto Max Planck PMSD, junto con colaboradores del centro BCCMS de Bremen, del que se hace eco la revista Nature Quantum Materials.

En objetos macroscópicos, como podría ser una corriente de agua, el hecho de observar esta corriente no influye en el flujo del agua, y, siguiendo las leyes de la termodinámica clásica, este flujo discurrirá de la parte alta a la parte más baja de ese sistema. Lo mismo ocurre en los flujos de temperatura, donde la corriente va del cuerpo más caliente al más frío, o en los sistemas eléctricos. Sin embargo, en dispositivos cuánticos, "el proceso de observación, el mirar, modifica el estado del sistema, y esto hace que sea más propenso a hacer fluir la corriente en una dirección u otra", explica Ángel Rubio, catedrático de la UPV/EHU, líder del grupo de investigación Nano-Bio Spectroscopy Group de la UPV/EHU y director del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter de Hamburgo.

Tal como subraya Rubio, esto no supone "una violación de ningún teorema fundamental de la física, ni se crea energía de la nada. Lo que ocurre es que el hecho de mirar, de introducir un observador en el sistema, ejerce como un obstáculo, como si en una tubería en la que está fluyendo el agua cerraras el canal. Obviamente, si se empieza a acumular la carga, al final acaba yendo en la otra dirección. Es decir, el observador proyecta el estado del sistema a un estado que transmite la corriente o la energía en direcciones opuestas".

Rubio recuerda la sorpresa que fue descubrir que la introducción del observador cuántico generaba un cambio de los sentidos de la corriente y de la trasferencia de la energía: "En un primer momento pensamos que se trataba de un error. Esperábamos encontrar cambios, y pensábamos que se podría parar el transporte, pero no que iba a haber un cambio completo del flujo".

Estos cambios en la dirección de la corriente se pueden hacer, además de forma controlada. Dependiendo del lugar donde se introduce el observador, se consigue cambiar el flujo, pero hay "determinadas zonas en el dispositivo en las que aunque mires, no cambia la dirección", aclara.

Dificultades para el diseño experimental

Este control de calor y corriente de partículas podría abrir la puerta a diferentes estrategias para diseñar dispositivos de transporte cuánticos con control de direccionalidad de la inyección de corrientes para aplicaciones en termoelectricidad, espintrónica, fotónica y detección, entre otros. Pero Ángel Rubio ve lejanas estas aplicaciones, porque encuentra limitaciones para el diseño de los observadores: "Nosotros hemos trabajado desde un punto de vista teórico, donde hemos propuesto un modelo sencillo, y la teoría es fácil de comprobar, porque todos los flujos de energía y de entropía se conservan. Otra cosa sería realizar ese proceso experimentalmente. Aunque el tipo de dispositivo que habría que diseñar existe, y sería factible hacerlo, en la actualidad no existe la posibilidad de hacerlo de manera controlada".

Ante esa situación, el grupo de investigación se encuentra buscando otras ideas similares, "otros mecanismos alternativos a los observadores cuánticos, que permitan conseguir efectos similares y que sean más realistas a la hora de ser implementados experimentalmente".

Información complementaria

En este estudio, publicado en la revista Nature PJ Quantum Materials, han participado investigadores del MPSD (Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia) en CFEL (Center for Free-Electron Laser Science) de Hamburgo, junto con colaboradores de la UPV/EHU y el Centro de Ciencias Computacionales de Materiales de Bremen (BCCMS).

Referencia bibliográfica

R. Biele, C. A. Rodríguez-Rosario, T. Frauenheim, A. Rubio. Controlling heat and particle currents in nanodevices by quantum observation. npj Quantum Materials 2, article number: 38 (2017). doi:10.1038/s41535-017-0043-6

Nodo: liferay1.lgp.ehu.es