In een klassiek thermodynamisch systeem, warmtestroom vloeit van het warmere lichaam naar het koudere, of elektriciteit van de hogere spanning naar de lagere. Hetzelfde gebeurt in kwantumsystemen, maar deze toestand kan worden veranderd, en de stroom van energie en deeltjes kan worden omgekeerd als een kwantumwaarnemer in het systeem wordt ingebracht.

Dit is het belangrijkste resultaat van de groep onder leiding van professor Ángel Rubio van de UPV/EHU en van het Max Planck Institute PMSD, samen met medewerkers van het BCCMS-centrum in Bremen. Hun studie is gepubliceerd in npj Quantum Materialen .

In macroscopische objecten zoals een stroming van water, het observeren van de stroming heeft geen invloed op de stroming van het water en, volgens de wetten van de klassieke thermodynamica, deze stroom zou plaatsvinden van het bovenste naar het onderste deel van het systeem. Echter, in kwantumsystemen, "het proces van observatie verandert de toestand van het systeem, en dit maakt het waarschijnlijker dat de stroom in de ene of de andere richting zal stromen, " zegt Ángel Rubio, een professor bij het in Hamburg gevestigde Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter.

Rubio zegt dat dit geen "schending is van een fundamentele stelling van de fysica, en evenmin wordt energie uit het niets gecreëerd. Wat er gebeurt, is dat het inbrengen van een waarnemer in het systeem als een obstakel fungeert, alsof je het kanaal zou afsluiten in een pijpleiding waar het water doorheen stroomt. Blijkbaar, als de belasting begint op te lopen, het zou uiteindelijk in de tegenovergestelde richting gaan. Met andere woorden, de waarnemer projecteert de toestand van het systeem op een toestand die de stroom of energie in tegengestelde richtingen uitzendt."

Rubio herinnert zich zijn verbazing toen hij ontdekte dat het inbrengen van de kwantumwaarnemer ervoor zorgde dat de richtingen van de stroom en de overdracht van energie veranderden:"Aanvankelijk, we dachten dat het een fout was. We hadden verwacht dat we veranderingen zouden tegenkomen en we dachten dat het mogelijk zou zijn om het transport te stoppen, maar we hadden niet verwacht dat de stroom volledig zou veranderen. Deze veranderingen in de richting van de stroom kunnen ook op een gecontroleerde manier worden gemaakt. Afhankelijk van waar de waarnemer is geplaatst, de stroom kan worden veranderd, maar er zijn specifieke gebieden in het apparaat waarin, ondanks het kijken, de richting verandert niet, " hij zegt.

Moeilijkheden voor experimenteel ontwerp

Het op deze manier regelen van de warmte en stroom van deeltjes zou de deur kunnen openen naar verschillende strategieën voor het ontwerpen van kwantumtransportapparaten met directionele controle van de injectie van stromen voor toepassingen in thermo-elektriciteit, spintronica, phononics en detectie, onder andere. Maar Ángel Rubio gelooft dat deze toepassingen nog ver weg zijn, omdat hij beperkingen ziet in het ontwerp van de waarnemers:"We hebben een eenvoudig model voorgesteld, en de theorie kan gemakkelijk worden geverifieerd omdat alle energie- en entropiestromen behouden blijven. Het experimenteel uitvoeren van dit proces zou een andere zaak zijn. Hoewel het type apparaat dat moet worden ontworpen bestaat, en het produceren ervan haalbaar zou zijn, direct, er is geen mogelijkheid om dit op een gecontroleerde manier te doen."

Dus, de onderzoeksgroep onderzoekt nu andere, soortgelijke ideeën. "We zijn op zoek naar andere mechanismen als alternatief voor kwantumwaarnemers waarmee vergelijkbare effecten kunnen worden bereikt en die realistischer zijn als het gaat om het experimenteel implementeren ervan, ' zegt Rubio.