Warmte stroomt van warme naar koude voorwerpen. Wanneer een warm en een koud lichaam in thermisch contact staan, ze wisselen warmte-energie uit totdat ze thermisch evenwicht bereiken, waarbij het hete lichaam afkoelt en het koude lichaam opwarmt. Dit is een natuurlijk fenomeen dat we de hele tijd ervaren. Het wordt verklaard door de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat de totale entropie van een geïsoleerd systeem altijd de neiging heeft om in de loop van de tijd toe te nemen totdat deze een maximum bereikt. Entropie is een kwantitatieve maat voor de wanorde in een systeem. Geïsoleerde systemen evolueren spontaan naar steeds meer wanordelijke toestanden en een gebrek aan differentiatie.

Een experiment uitgevoerd door onderzoekers van het Braziliaanse Centrum voor Onderzoek in Natuurkunde (CBPF) en de Federale Universiteit van ABC (UFABC), evenals medewerkers bij andere instellingen in Brazilië en elders, heeft aangetoond dat kwantumcorrelaties van invloed zijn op de manier waarop entropie wordt verdeeld over delen in thermisch contact, het omkeren van de richting van de zogenaamde "thermodynamische pijl van de tijd".

Met andere woorden, warmte kan spontaan van een koud object naar een heet object stromen zonder dat er energie in het proces hoeft te worden geïnvesteerd, zoals vereist door een huishoudelijke koelkast. Een artikel waarin het experiment met theoretische overwegingen wordt beschreven, is zojuist gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De eerste auteur van het artikel, Kaonan Micadei, voltooide zijn Ph.D. onder supervisie van professor Roberto Serra en doet nu postdoctoraal onderzoek in Duitsland. Serra, ook een van de auteurs van het artikel, werd ondersteund door FAPESP via het Braziliaanse National Institute of Science and Technology in Quantum Information. FAPESP heeft ook twee aan het project gekoppelde onderzoeksbeurzen toegekend aan een andere co-auteur, Gabriël Teixeira Landi, een professor aan het Physics Institute van de Universiteit van São Paulo (IF-USP).

"Van correlaties kan worden gezegd dat ze informatie vertegenwoordigen die tussen verschillende systemen wordt gedeeld. In de macroscopische wereld beschreven door de klassieke natuurkunde, de toevoeging van energie van buitenaf kan de warmtestroom in een systeem omkeren, zodat deze van koud naar warm stroomt. Dit gebeurt er in een gewone koelkast, bijvoorbeeld, " vertelde Serra aan Agência FAPESP.

"Het is mogelijk om te zeggen dat in ons nanoscopisch experiment, de kwantumcorrelaties produceerden een analoog effect als dat van toegevoegde energie. De stroomrichting werd omgekeerd zonder de tweede wet van de thermodynamica te schenden. Integendeel, als we rekening houden met elementen van de informatietheorie bij het beschrijven van de overdracht van warmte, we vinden een algemene vorm van de tweede wet en demonstreren de rol van kwantumcorrelaties in het proces."

Het experiment werd uitgevoerd met een monster van chloroformmoleculen (een waterstofatoom, een koolstofatoom en drie chlooratomen) gemarkeerd met een koolstof-13-isotoop. Het monster werd verdund in oplossing en bestudeerd met behulp van een nucleaire magnetische resonantiespectrometer, vergelijkbaar met de MRI-scanners die in ziekenhuizen worden gebruikt, maar met een veel sterker magnetisch veld.

"We onderzochten temperatuurveranderingen in de spins van de kernen van de waterstof- en koolstofatomen. De chlooratomen speelden geen materiële rol in het experiment. We gebruikten radiofrequentiepulsen om de spin van elke kern op een andere temperatuur te plaatsen, een koeler, nog een warmer. De temperatuurverschillen waren klein, in de orde van tientallen miljardsten van 1 Kelvin, maar we hebben nu technieken waarmee we kwantumsystemen met extreme precisie kunnen manipuleren en meten. In dit geval, we hebben de radiofrequentiefluctuaties gemeten die door de atoomkernen worden geproduceerd, ' zei Serra.

De onderzoekers onderzochten twee situaties:in één, de waterstof- en koolstofkernen begonnen het proces ongecorreleerd, en in de andere, ze waren aanvankelijk kwantumgecorreleerd.

"In het eerste geval, met de kernen ongecorreleerd, we zagen warmte in de gebruikelijke richting stromen, van warm naar koud, totdat beide kernen dezelfde temperatuur hadden. In de seconde, met de kernen aanvankelijk gecorreleerd, we zagen warmte in de tegenovergestelde richting stromen, van koud naar warm. Het effect duurde een paar duizendsten van een seconde, totdat de initiële correlatie was verbruikt, ' legde Serra uit.

Het meest opvallende aspect van dit resultaat is dat het een proces van kwantumkoeling suggereert waarbij de toevoeging van externe energie (zoals wordt gedaan in koelkasten en airconditioners om een ​​specifieke omgeving te koelen) kan worden vervangen door correlaties, d.w.z., een uitwisseling van informatie tussen objecten.

De demon van Maxwell

Het idee dat informatie kan worden gebruikt om de richting van de warmtestroom om te keren, met andere woorden:om een ​​lokale afname van de entropie teweeg te brengen - ontstond in de klassieke natuurkunde in het midden van de negentiende eeuw, lang voordat de informatietheorie werd uitgevonden.

Het was een gedachte-experiment dat in 1867 werd voorgesteld door James Clerk Maxwell (1831-1879), WHO, onder andere, creëerde de beroemde klassieke elektromagnetisme-vergelijkingen. In dit gedachte-experiment die destijds een verhitte controverse veroorzaakte, de grote Schotse natuurkundige zei dat als er een wezen was dat in staat was de snelheid van elk molecuul van een gas te kennen en alle moleculen op microscopische schaal te manipuleren, dit wezen zou ze kunnen scheiden in twee ontvangers, door sneller dan gemiddelde moleculen in de ene te plaatsen om een ​​warm compartiment te creëren en langzamer dan gemiddelde moleculen in de andere om een ​​koud compartiment te creëren. Op deze manier, een gas dat aanvankelijk in thermisch evenwicht is vanwege een mengsel van snellere en langzamere moleculen, zou evolueren naar een gedifferentieerde toestand met minder entropie.

Maxwell wilde met het gedachte-experiment bewijzen dat de tweede wet van de thermodynamica louter statistisch was.

"Het wezen dat hij voorstelde, die in staat was in te grijpen in de materiële wereld op moleculaire of atomaire schaal, werd bekend als "Maxwell's demon." Het was een fictie die door Maxwell was uitgevonden om zijn standpunt te presenteren. Echter, we zijn nu in staat om op atomaire of zelfs kleinere schaal te opereren, zodat de gebruikelijke verwachtingen worden gewijzigd, ' zei Serra.

Het experiment dat Serra en medewerkers hebben uitgevoerd en beschreven in het zojuist gepubliceerde artikel, is hiervan een demonstratie. Het reproduceerde niet Maxwells gedachte-experiment, natuurlijk, maar het leverde een analoog resultaat op.

"Als we het over informatie hebben, we hebben het niet over iets ongrijpbaars. Informatie vereist een fysiek substraat, een herinnering. Als u 1 bit geheugen van een flashstation wilt wissen, je moet 10 besteden, 000 keer een minimale hoeveelheid energie bestaande uit de Boltzmann-constante maal de absolute temperatuur. Dit minimum aan energie dat nodig is om informatie te wissen, staat bekend als het principe van Landauer. Dit verklaart waarom het wissen van informatie warmte genereert. Notebookbatterijen worden meer dan wat dan ook door warmte verbruikt, ' zei Serra.

Wat de onderzoekers opmerkten, was dat de informatie die aanwezig is in de kwantumcorrelaties kan worden gebruikt om werk uit te voeren, in dit geval de overdracht van warmte van een kouder naar een heter object, zonder externe energie te verbruiken.

"We kunnen de correlatie van twee systemen kwantificeren door middel van bits. Verbindingen tussen kwantummechanica en informatietheorie creëren wat bekend staat als kwantuminformatiewetenschap. Vanuit praktisch oogpunt, het effect dat we bestudeerden zou ooit kunnen worden gebruikt om een ​​deel van de processor van een kwantumcomputer te koelen, ' zei Serra.