I ricercatori dell'UCM e del CSS hanno riscontrato una parziale violazione della seconda legge della termodinamica in un sistema quantistico noto come reticolo di Hofstadter. Questa violazione parziale non trova posto nell'ambito della fisica classica.
Un reticolo di Hofstadter è un modello teorico con una rete bidimensionale quadrata attraverso la quale circolano particelle quantistiche come elettroni o fotoni. Inoltre, quando una di queste particelle completa un percorso chiuso nella rete, la particella acquisisce una fase quantistica.
Questo sistema modella una classe di materiali bidimensionali (simili al grafene) con proprietà così insolite da essere al di fuori della classificazione tipica di conduttori o isolanti, e sono invece descritti come isolanti topologici.
Una delle proprietà più sorprendenti mostrate da questo sistema è la presenza di correnti di bordo, mentre l'interno non consente alcuna conduzione. Inoltre, queste correnti di bordo sono notevolmente forti anche in presenza di impurità nel materiale, che li ha inseriti nel radar della comunità scientifica per le applicazioni in spintronica, fotonica e calcolo quantistico.
In un articolo pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici , i ricercatori Ángel Rivas e Miguel A. Martin-Delgado del Dipartimento di Fisica Teorica dell'UCM e del CCS spiegano di aver studiato le proprietà termodinamiche di questo sistema ponendolo in presenza di due fonti di calore, uno caldo e uno freddo. Fare così, hanno formulato una teoria quantistica che descrive questa situazione e risolto le equazioni dinamiche.
Ciò che prevede i calcoli teorici è che il trasporto del calore presenta un comportamento ben oltre le caratteristiche tipiche della termodinamica classica. Nello specifico, su un bordo del materiale viene indotta una corrente che scorre da un punto freddo a un punto caldo. Questo è contrario alla seconda legge della termodinamica, sotto il quale non è possibile che il calore fluisca spontaneamente da un corpo freddo ad uno più caldo.
Dal punto di vista tecnologico, la seconda legge della termodinamica limita l'efficienza energetica pratica di dispositivi come motori, batterie, frigoriferi, celle solari, eccetera.
Una violazione parziale
Però, quando si tiene conto del resto dei bordi e dell'interno del materiale, la seconda legge è ripristinata. Questa violazione "parziale" è un effetto di questo tipo di sistema quantistico esotico che non rientra nel quadro della fisica classica.
Per di più, queste correnti mostrano robustezza anche alla presenza di impurità che osservano determinati schemi di simmetria legati alla posizione delle sorgenti termiche e alle dinamiche dissipative che inducono.
Questo nuovo fenomeno, chiamata "protezione dissipativa della simmetria, " non è mai stato osservato prima e potrebbe dar luogo a nuove applicazioni non solo interessanti ma di pratica utilità.
La ricerca si svolge all'interno di un quadro di simulazione quantistica, una disciplina che cerca di studiare tali materiali attraverso dispositivi artificiali con caratteristiche simili ottenuti da tecniche di controllo quantistico, come le reti fotoniche e gli atomi ultrafreddi.
Questi risultati porteranno a nuove e inaspettate applicazioni nello sviluppo di tecnologie quantistiche, come simulatori quantistici o memorie quantistiche, presentando maggiore stabilità e operando in condizioni realistiche soggette a fluttuazioni di temperatura.
