Forskare vid UCM och CSS har stött på en partiell kränkning av termodynamikens andra lag i ett kvantsystem som kallas Hofstadter gitter. Denna partiella kränkning har ingen plats inom ramen för klassisk fysik.
Ett Hofstadter-gitter är en teoretisk modell med ett fyrkantigt tvådimensionellt nätverk genom vilket kvantpartiklar som elektroner eller fotoner cirkulerar. Dessutom, när en av dessa partiklar slutför en sluten väg i nätverket, partikeln förvärvar en kvantfas.
Detta system modellerar en klass av tvådimensionella material (liknande grafen) med egenskaper så ovanliga att de ligger utanför den typiska klassificeringen av ledare eller isolatorer, och beskrivs istället som topologiska isolatorer.
En av de mest slående egenskaperna som visas av detta system är förekomsten av kantströmmar, medan interiören inte tillåter någon ledning. Dessutom, dessa kantströmmar är anmärkningsvärt starka även i närvaro av föroreningar i materialet, vilket har satt dem på det vetenskapliga samfundets radar för applikationer inom spintronics, fotonik och kvantberäkning.
I en artikel publicerad i tidningen Vetenskapliga rapporter , forskarna Ángel Rivas och Miguel A. Martin-Delgado vid Institutionen för teoretisk fysik vid UCM och CCS förklarar att de har studerat de termodynamiska egenskaperna hos detta system genom att placera det i närvaro av två värmekällor, en varm och en kall. Att göra så, de har formulerat en kvantteori som beskriver denna situation och löst de dynamiska ekvationerna.
Det som förutsäger de teoretiska beräkningarna är att värmetransporten uppvisar ett beteende långt bortom de typiska egenskaperna hos klassisk termodynamik. Specifikt, på materialets ena kant induceras en ström som strömmar från en kall fläck till en varm plats. Detta strider mot termodynamikens andra lag, under vilket det inte är möjligt för värme att strömma spontant från en kall kropp till en varmare.
Ur en teknisk synvinkel, den andra termodynamiska lagen begränsar den praktiska energieffektiviteten för enheter som motorer, batterier, kylskåp, solceller, etc.
En partiell kränkning
Dock, när hänsyn tas till resten av kanterna och materialets insida, den andra lagen återställs. Denna "partiella" kränkning är en effekt av denna typ av exotiskt kvantsystem som inte ryms inom ramen för klassisk fysik.
Vidare, dessa strömmar visar också robusthet mot förekomsten av föroreningar som observerar vissa symmetri mönster relaterade till positionen för de termiska källorna och den dissipativa dynamiken som de inducerar.
Detta nya fenomen, kallas "dissipativt symmetri-skydd, "har aldrig observerats tidigare och kan ge upphov till nya applikationer som inte bara är intressanta utan också praktiska.
Forskningen sker inom en kvantsimuleringsram, en disciplin som försöker studera sådant material genom artificiella enheter med liknande egenskaper som erhålls med kvantkontrolltekniker, såsom fotoniska nätverk och ultrakalla atomer.
Dessa resultat kommer att leda till nya och oväntade tillämpningar i utvecklingen av kvantteknik, såsom kvantsimulatorer eller kvantminnen, presenterar mer stabilitet och fungerar under realistiska förhållanden med temperaturfluktuationer.
