Forskare från MPSD:s teoriavdelning har insett kontrollen av termiska och elektriska strömmar i enheter i nanoskala med hjälp av lokala kvantobservationer.

Mätning spelar en grundläggande roll inom kvantmekaniken. Den mest kända illustrationen av principerna för överlagring och förveckling är Schrödingers katt. Osynlig från utsidan, katten bor i en sammanhängande överlagring av två tillstånd, levande och döda på samma gång.

Med hjälp av en mätning, denna superposition kollapsar till ett konkret tillstånd. Katten är nu antingen död eller levande. I detta berömda tankeexperiment, en mätning av "kvantkatten" kan ses som en interaktion med ett makroskopiskt objekt som kollapsar superpositionen till ett konkret tillstånd genom att förstöra dess koherens.

I deras nya artikel publicerad i npj Quantum Materials , forskare från Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter och medarbetare från University of the Baskien (UPV/EHU) och Bremen Center for Computational Materials Science upptäckte hur en mikroskopisk kvantobservatör kan kontrollera termiska och elektriska strömmar i enheter i nanoskala. Lokal kvantobservation av ett system kan inducera kontinuerliga och dynamiska förändringar i dess kvantkoherens, vilket möjliggör bättre kontroll av partikel- och energiströmmar i system i nanoskala.

Klassisk icke-jämviktstermodynamik utvecklades för att förstå flödet av partiklar och energi mellan flera värme- och partikelreservoarer. Det mest kända exemplet är Clausius formulering av termodynamikens andra lag, som säger att när två föremål med olika temperatur bringas i kontakt, värme kommer uteslutande att flöda från den varmare till den kallare.

I makroskopiska föremål, observationen av denna process påverkar inte flödet av energi och partiklar mellan dem. Dock, i kvantenheter, termodynamiska begrepp måste ses över. När en klassisk observatör mäter ett kvantsystem, denna interaktion förstör det mesta av koherensen inuti systemet och förändrar dess dynamiska respons.

Istället, om en kvantobservatör endast agerar lokalt, systemets kvantkoherens förändras kontinuerligt och dynamiskt, vilket ger en annan nivå av kontroll över dess egenskaper. Beroende på hur stark och var dessa lokala kvantobservationer utförs, nya och överraskande kvanttransportfenomen uppstår.

Gruppen av Prof.Dr. Angel Rubio vid MPSD:s teoriavdelning, tillsammans med sina kollegor, har visat hur begreppet kvantmätningar kan erbjuda nya möjligheter för en termodynamisk kontroll av kvanttransport (värme och partikel). Detta koncept erbjuder möjligheter långt utöver dem som erhålls med vanliga klassiska termiska reservoarer.

Forskarna studerade denna idé i en teoretisk kvantspärr. Inom detta system, vänster och höger sida är anslutna till varma och kalla termalbad, respektive. Denna konfiguration tvingar energin att flöda från varmt till kallt och partiklarna att flöda medurs inuti spärrhaken. Introduktionen av en kvantobservatör, dock, inverterar partikelringströmmen mot spärrhakens naturliga riktning - ett fenomen som orsakas av det lokala elektroniska tillståndet och störningen av systemets symmetri.

Vidare, kvantobservationen kan också invertera värmeflödets riktning, motsäger termodynamikens andra lag. "Sådan värme- och partikelströmkontroll kan öppna dörren för olika strategier för att designa kvanttransportanordningar med riktningsstyrning av insprutningen av strömmar. Det kan finnas tillämpningar inom termoelektricitet, spintronik, fotonik, och känna, bland andra. Dessa resultat har varit ett viktigt bidrag till min doktorsavhandling, säger Robert Biele, tidningens första författare.

Ur en mer grundläggande synvinkel, detta arbete belyser rollen som en kvantobservatör. I motsats till Schrödingers katt, där det koherenta tillståndet förstörs via interaktionen med en makroskopisk "observatör, "här, genom att introducera en lokal kvantobservatör, koherensen förändras lokalt och dynamiskt, tillåta forskare att stämma mellan de sammanhängande tillstånden i systemet. "Detta visar hur termodynamiken är väldigt olika i kvantregimen. Schrödingers kattparadox leder till nya termodynamiska krafter som aldrig tidigare skådats, " säger César A. Rodríguez Rosario.

Inom en snar framtid, forskarna kommer att tillämpa detta koncept för att kontrollera spinn för tillämpningar inom spinninjektion och nya magnetiska minnen. Angel Rubio föreslår att "kvantobservatören - förutom att kontrollera partikel- och energiöverföringen på nanoskala - också kunde observera snurr, välj enskilda komponenter, och ger upphov till spinnpolariserade strömmar utan spin-omloppskoppling. Observation kan användas för att skriva ett magnetiskt minne."