Onderzoekers van UCM en CSS zijn een gedeeltelijke schending van de tweede wet van de thermodynamica tegengekomen in een kwantumsysteem dat bekend staat als het Hofstadter-rooster. Deze gedeeltelijke schending hoort niet thuis in het kader van de klassieke natuurkunde.

Een Hofstadter-rooster is een theoretisch model met een vierkant tweedimensionaal netwerk waardoor kwantumdeeltjes zoals elektronen of fotonen circuleren. Bovendien, wanneer een van deze deeltjes een gesloten pad in het netwerk voltooit, het deeltje krijgt een kwantumfase.

Dit systeem modelleert een klasse van tweedimensionale materialen (vergelijkbaar met grafeen) met eigenschappen die zo ongebruikelijk zijn dat ze buiten de typische classificatie van geleiders of isolatoren vallen, en worden in plaats daarvan beschreven als topologische isolatoren.

Een van de meest opvallende eigenschappen van dit systeem is de aanwezigheid van randstromen, terwijl het interieur geen geleiding toelaat. In aanvulling, deze randstromen zijn opmerkelijk sterk, zelfs in aanwezigheid van onzuiverheden in het materiaal, waardoor ze op de radar van de wetenschappelijke gemeenschap staan ​​voor toepassingen in spintronica, fotonica en kwantumcomputers.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , onderzoekers Ángel Rivas en Miguel A. Martin-Delgado van de afdeling Theoretische Fysica van UCM en CCS leggen uit dat ze de thermodynamische eigenschappen van dit systeem hebben bestudeerd door het in de aanwezigheid van twee warmtebronnen te plaatsen, een warm en een koud. Om dit te doen, ze hebben een kwantumtheorie geformuleerd die deze situatie beschrijft en de dynamische vergelijkingen opgelost.

Wat de theoretische berekeningen voorspelt, is dat het transport van warmte een gedrag vertoont dat veel verder gaat dan de typische kenmerken van de klassieke thermodynamica. specifiek, aan een rand van het materiaal wordt een stroom opgewekt die van een koude plek naar een hete plek gaat. Dit is in strijd met de tweede wet van de thermodynamica, waaronder het niet mogelijk is dat warmte spontaan van een koud lichaam naar een warmer lichaam stroomt.

Vanuit technologisch oogpunt, de tweede wet van de thermodynamica beperkt de praktische energie-efficiëntie van apparaten zoals motoren, batterijen, koelkasten, zonnepanelen, enzovoort.

Een gedeeltelijke overtreding

Echter, wanneer rekening wordt gehouden met de rest van de randen en de binnenkant van het materiaal, de tweede wet wordt hersteld. Deze "gedeeltelijke" schending is een effect van dit soort exotisch kwantumsysteem dat niet past binnen het kader van de klassieke natuurkunde.

Verder, deze stromen vertonen ook robuustheid tegen de aanwezigheid van onzuiverheden die bepaalde symmetriepatronen waarnemen die verband houden met de positie van de thermische bronnen en de dissipatieve dynamiek die ze veroorzaken.

Dit nieuwe fenomeen, genaamd "dissipatieve symmetrie-bescherming, " is nog nooit eerder waargenomen en zou aanleiding kunnen geven tot nieuwe toepassingen die niet alleen interessant zijn, maar ook van praktisch nut.

Het onderzoek vindt plaats binnen een kwantumsimulatiekader, een discipline die dergelijke materialen probeert te bestuderen door middel van kunstmatige apparaten met vergelijkbare kenmerken verkregen door kwantumcontroletechnieken, zoals fotonische netwerken en ultrakoude atomen.

Deze resultaten zullen leiden tot nieuwe en onverwachte toepassingen in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, zoals kwantumsimulatoren of kwantumgeheugens, biedt meer stabiliteit en werkt onder realistische omstandigheden die onderhevig zijn aan temperatuurschommelingen.