I ricercatori del Dipartimento di Teoria dell'MPSD hanno realizzato il controllo delle correnti termiche ed elettriche in dispositivi su scala nanometrica mediante osservazioni locali quantistiche.

La misurazione gioca un ruolo fondamentale nella meccanica quantistica. L'illustrazione più nota dei principi di sovrapposizione e di entanglement è il gatto di Schrödinger. Invisibile dall'esterno, il gatto risiede in una sovrapposizione coerente di due stati, vivo e morto allo stesso tempo.

Per mezzo di una misura, questa sovrapposizione crolla in uno stato concreto. Il gatto ora è vivo o morto. In questo famoso esperimento mentale, una misurazione del "gatto quantistico" può essere vista come un'interazione con un oggetto macroscopico che fa crollare la sovrapposizione su uno stato concreto distruggendone la coerenza.

Nel loro nuovo articolo pubblicato su npj Materiali quantistici , ricercatori del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter e collaboratori dell'Università dei Paesi Baschi (UPV/EHU) e del Bremen Center for Computational Materials Science hanno scoperto come un microscopico osservatore quantistico è in grado di controllare le correnti termiche ed elettriche in dispositivi su scala nanometrica. L'osservazione quantistica locale di un sistema può indurre cambiamenti continui e dinamici nella sua coerenza quantistica, che consente un migliore controllo delle correnti di particelle ed energia nei sistemi su scala nanometrica.

La termodinamica classica di non equilibrio è stata sviluppata per comprendere il flusso di particelle e di energia tra più serbatoi di calore e particelle. L'esempio più noto è la formulazione di Clausius della seconda legge della termodinamica, affermando che quando due oggetti con temperature diverse vengono messi in contatto, il calore fluirà esclusivamente da quello più caldo a quello più freddo.

Negli oggetti macroscopici, l'osservazione di questo processo non influenza il flusso di energia e particelle tra di loro. Però, nei dispositivi quantistici, i concetti termodinamici devono essere rivisitati. Quando un osservatore classico misura un sistema quantistico, questa interazione distrugge la maggior parte della coerenza all'interno del sistema e ne altera la risposta dinamica.

Anziché, se un osservatore quantistico agisce solo localmente, la coerenza quantistica del sistema cambia continuamente e dinamicamente, fornendo così un altro livello di controllo delle sue proprietà. A seconda di quanto sono forti e dove vengono eseguite queste osservazioni quantistiche locali, sorgono nuovi e sorprendenti fenomeni di trasporto quantistico.

Il gruppo del Prof.Dr. Angel Rubio presso il Dipartimento di Teoria del MPSD, insieme ai loro colleghi, hanno dimostrato come il concetto di misurazioni quantistiche possa offrire nuove possibilità per un controllo termodinamico del trasporto quantistico (calore e particelle). Questo concetto offre possibilità ben oltre quelle ottenute utilizzando i classici serbatoi termici standard.

Gli scienziati hanno studiato questa idea in un cricchetto quantistico teorico. All'interno di questo sistema, il lato sinistro e quello destro sono collegati alle terme calde e fredde, rispettivamente. Questa configurazione costringe l'energia a fluire dal caldo al freddo e le particelle a fluire in senso orario all'interno del cricchetto. L'introduzione di un osservatore quantistico, però, inverte la corrente ad anello delle particelle contro la direzione naturale del cricchetto, un fenomeno causato dallo stato elettronico localizzato e dall'interruzione della simmetria del sistema.

Per di più, l'osservazione quantistica è anche in grado di invertire la direzione del flusso di calore, contraddicendo il secondo principio della termodinamica. "Tale controllo della corrente del calore e delle particelle potrebbe aprire la porta a diverse strategie per progettare dispositivi di trasporto quantistico con controllo della direzionalità dell'iniezione di correnti. Potrebbero esserci applicazioni nella termoelettricità, spintronica, fotonica, e percependo, tra gli altri. Questi risultati sono stati un importante contributo alla mia tesi di dottorato, "dice Roberto Biele, primo autore del saggio.

Da un punto di vista più fondamentale, questo lavoro mette in evidenza il ruolo di un osservatore quantistico. A differenza del gatto di Schrödinger, dove lo stato coerente viene distrutto attraverso l'interazione con un macroscopico "osservatore, " qui, introducendo un osservatore quantistico locale, la coerenza è cambiata localmente e dinamicamente, consentendo ai ricercatori di sintonizzarsi tra gli stati coerenti del sistema. "Questo mostra come la termodinamica sia molto diversa nel regime quantistico. Il paradosso del gatto di Schrödinger porta a nuove forze termodinamiche mai viste prima, " dice César A. Rodríguez Rosario.

Nel futuro prossimo, i ricercatori applicheranno questo concetto per controllare gli spin per applicazioni nell'iniezione di spin e nuove memorie magnetiche. Angel Rubio suggerisce che "l'osservatore quantistico, oltre a controllare la particella e il trasferimento di energia su scala nanometrica, potrebbe anche osservare gli spin, selezionare i singoli componenti, e danno luogo a correnti spin-polarizzate senza accoppiamento spin-orbita. L'osservazione potrebbe essere usata per scrivere una memoria magnetica."