Onderzoekers van de afdeling Theorie van de MPSD hebben de beheersing van thermische en elektrische stromen in nanoschaal-apparaten gerealiseerd door middel van lokale kwantumobservaties.

Meten speelt een fundamentele rol in de kwantummechanica. De bekendste illustratie van de principes van superpositie en verstrengeling is de kat van Schrödinger. Van buitenaf onzichtbaar, de kat bevindt zich in een coherente superpositie van twee toestanden, levend en dood tegelijk.

Door middel van een meting, deze superpositie stort in tot een concrete staat. De kat is nu dood of levend. In dit beroemde gedachte-experiment, een meting van de "kwantumkat" kan worden gezien als een interactie met een macroscopisch object dat de superpositie instort op een concrete toestand door de samenhang ervan te vernietigen.

In hun nieuwe artikel gepubliceerd in npj Quantum Materialen , onderzoekers van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter en medewerkers van de University of the Basque Country (UPV/EHU) en het Bremen Centre for Computational Materials Science ontdekten hoe een microscopische kwantumwaarnemer thermische en elektrische stromen in apparaten op nanoschaal. Lokale kwantumobservatie van een systeem kan continue en dynamische veranderingen in zijn kwantumcoherentie veroorzaken, die een betere controle van deeltjes- en energiestromen in nanoschaalsystemen mogelijk maakt.

Klassieke niet-evenwichtsthermodynamica is ontwikkeld om de stroom van deeltjes en energie tussen meerdere warmte- en deeltjesreservoirs te begrijpen. Het bekendste voorbeeld is Clausius' formulering van de tweede wet van de thermodynamica, waarin staat dat wanneer twee objecten met verschillende temperaturen met elkaar in contact worden gebracht, warmte zal uitsluitend van de warmere naar de koudere stromen.

In macroscopische objecten, de observatie van dit proces heeft geen invloed op de stroom van energie en deeltjes daartussen. Echter, in kwantumapparaten, thermodynamische concepten moeten worden herzien. Wanneer een klassieke waarnemer een kwantumsysteem meet, deze interactie vernietigt het grootste deel van de samenhang binnen het systeem en verandert de dynamische respons.

In plaats daarvan, als een kwantumwaarnemer alleen lokaal handelt, de systeemkwantumcoherentie verandert continu en dynamisch, waardoor een ander niveau van controle over zijn eigenschappen wordt geboden. Afhankelijk van hoe sterk en waar deze lokale kwantumwaarnemingen worden uitgevoerd, nieuwe en verrassende kwantumtransportfenomenen ontstaan.

De groep van Prof.Dr. Angel Rubio bij de afdeling Theorie van de MPSD, samen met hun collega's, hebben aangetoond hoe het concept van kwantummetingen nieuwe mogelijkheden kan bieden voor een thermodynamische regeling van kwantumtransport (warmte en deeltjes). Dit concept biedt mogelijkheden die veel verder gaan dan die verkregen met standaard klassieke thermische reservoirs.

De wetenschappers bestudeerden dit idee in een theoretische kwantumratel. Binnen dit systeem is de linker- en rechterkant zijn verbonden met warme en koude thermale baden, respectievelijk. Deze configuratie dwingt de energie om van warm naar koud te stromen en de deeltjes met de klok mee in de ratel te stromen. De introductie van een kwantumwaarnemer, echter, keert de deeltjesringstroom om tegen de natuurlijke richting van de ratel - een fenomeen dat wordt veroorzaakt door de gelokaliseerde elektronische toestand en de verstoring van de symmetrie van het systeem.

Verder, de kwantumobservatie kan ook de richting van de warmtestroom omkeren, in tegenspraak met de tweede wet van de thermodynamica. "Een dergelijke controle van warmte- en deeltjesstroom zou de deur kunnen openen voor verschillende strategieën om kwantumtransportapparaten te ontwerpen met directionele controle van de injectie van stromen. Er kunnen toepassingen zijn in thermo-elektriciteit, spintronica, fotonica, en voelen, onder andere. Deze resultaten hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan mijn proefschrift, " zegt Robert Biele, eerste auteur van het artikel.

Vanuit een meer fundamenteel oogpunt, dit werk benadrukt de rol van een kwantumwaarnemer. In tegenstelling tot de kat van Schrödinger, waarbij de coherente toestand wordt vernietigd via de interactie met een macroscopische "waarnemer, " hier, door een lokale kwantumwaarnemer te introduceren, de samenhang wordt lokaal en dynamisch gewijzigd, waardoor onderzoekers kunnen afstemmen tussen de coherente toestanden van het systeem. "Dit laat zien hoe thermodynamica heel anders is in het kwantumregime. De kattenparadox van Schrödinger leidt tot nieuwe thermodynamische krachten die nog nooit eerder zijn gezien, " zegt César A. Rodríguez Rosario.

In de nabije toekomst, de onderzoekers zullen dit concept toepassen om spins te controleren voor toepassingen in spin-injectie en nieuwe magnetische geheugens. Angel Rubio suggereert dat "de kwantumwaarnemer - naast het regelen van de deeltjes- en energieoverdracht op nanoschaal - ook spins kan waarnemen, selecteer afzonderlijke componenten, en aanleiding geven tot spin-gepolariseerde stromen zonder spin-baankoppeling. Observatie zou kunnen worden gebruikt om een ​​magnetisch geheugen te schrijven."