Investigadores de la UCM y CSS han encontrado una violación parcial de la segunda ley de la termodinámica en un sistema cuántico conocido como red de Hofstadter. Esta violación parcial no tiene lugar dentro del marco de la física clásica.
Una red de Hofstadter es un modelo teórico con una red cuadrada bidimensional a través de la cual circulan partículas cuánticas como electrones o fotones. Además, cuando una de estas partículas completa un camino cerrado en la red, la partícula adquiere una fase cuántica.
Este sistema modela una clase de materiales bidimensionales similares al grafeno con propiedades tan inusuales que están fuera de la clasificación típica de conductores o aislantes y, en cambio, se describen como aislantes topológicos.
Una de las propiedades más llamativas que muestra este sistema es la presencia de corrientes de borde, mientras que el interior no permite ninguna conducción. Además, estas corrientes de borde son notablemente fuertes incluso en presencia de impurezas en el material, que haponerlos en el radar de la comunidad científica para aplicaciones en espintrónica, fotónica y computación cuántica.
En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, los investigadores Ángel Rivas y Miguel A. Martín-Delgado del Departamento de Física Teórica de la UCM y CCS explican que han estudiado las propiedades termodinámicas de este sistema colocándolo en presencia dedos fuentes de calor, una caliente y otra fría. Para ello, han formulado una teoría cuántica que describe esta situación y resuelto las ecuaciones dinámicas.
Lo que predice los cálculos teóricos es que el transporte de calor presenta un comportamiento mucho más allá de las características típicas de la termodinámica clásica. Específicamente, en un borde del material se induce una corriente que fluye desde un punto frío a un punto caliente. Esto escontrariamente a la segunda ley de la termodinámica, según la cual no es posible que el calor fluya espontáneamente de un cuerpo frío a uno más caliente.
Desde un punto de vista tecnológico, la segunda ley de la termodinámica limita la eficiencia energética práctica de dispositivos como motores, baterías, refrigeradores, células solares, etc.
una infracción parcial
Sin embargo, cuando se tiene en cuenta el resto de los bordes y el interior del material, se restablece la segunda ley. Esta violación "parcial" es un efecto de este tipo de sistema cuántico exótico que no encaja en el marco defísica clásica.
Además, estas corrientes también muestran robustez a la presencia de impurezas que observan ciertos patrones de simetría relacionados con la posición de las fuentes térmicas y la dinámica disipativa que inducen.
Este nuevo fenómeno, llamado "protección de simetría disipativa", nunca antes se había observado y podría dar lugar a nuevas aplicaciones que no solo son interesantes sino también de utilidad práctica.
La investigación se desarrolla dentro de un marco de simulación cuántica, disciplina que busca estudiar dichos materiales a través de dispositivos artificiales con características similares obtenidas por técnicas de control cuántico, como redes fotónicas y átomos ultrafríos.
Estos resultados conducirán a aplicaciones nuevas e inesperadas en el desarrollo de tecnologías cuánticas, como simuladores cuánticos o memorias cuánticas, presentando más estabilidad y operando en condiciones realistas sujetas a fluctuaciones de temperatura.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro de investigación de simulación computacional . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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