In un sistema termodinamico classico, la corrente di calore scorre dal corpo più caldo a quello più freddo, o elettricità dalla tensione più alta a quella più bassa. La stessa cosa accade nei sistemi quantistici, ma questo stato può essere cambiato, e il flusso di energia e particelle può essere invertito se un osservatore quantistico viene inserito nel sistema.

Questo è il principale risultato ottenuto dal gruppo guidato dal Professor Ángel Rubio dell'UPV/EHU e del Max Planck Institute PMSD, insieme ai collaboratori del centro BCCMS di Brema. Il loro studio è stato pubblicato in npj Materiali quantistici .

In oggetti macroscopici come una corrente d'acqua, l'osservazione della corrente non influisce sul flusso dell'acqua e, secondo le leggi della termodinamica classica, questo flusso avverrebbe dalla parte superiore a quella inferiore del sistema. Però, nei sistemi quantistici, "il processo di osservazione cambia lo stato del sistema, e questo rende più probabile che la corrente venga fatta fluire in una direzione o nell'altra, "dice Angelo Rubio, professore presso il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter con sede ad Amburgo.

Rubio dice che questo non costituisce "una violazione di alcun teorema fondamentale della fisica né l'energia viene creata dal nulla. Quello che succede è che l'inserimento di un osservatore nel sistema funge da ostacolo, come se dovessi chiudere il canale in una conduttura attraverso la quale scorre l'acqua. Ovviamente, se il carico inizia ad accumularsi, finirebbe per andare nella direzione opposta. In altre parole, l'osservatore proietta lo stato del sistema su uno stato che trasmette la corrente o l'energia in direzioni opposte."

Rubio ricorda la sua sorpresa nello scoprire che l'inserimento dell'osservatore quantistico faceva cambiare le direzioni della corrente e il trasferimento di energia:"Inizialmente, pensavamo fosse un errore. Ci aspettavamo di imbatterci in cambiamenti e pensavamo che sarebbe stato possibile fermare il trasporto, ma non ci aspettavamo che ci sarebbe stato un completo cambiamento di flusso. Questi cambiamenti nella direzione della corrente possono essere effettuati anche in modo controllato. A seconda di dove è inserito l'osservatore, il flusso può essere modificato, ma ci sono aree specifiche nel dispositivo in cui, nonostante guardi, la direzione non cambia, " lui dice.

Difficoltà per il disegno sperimentale

Il controllo del calore e della corrente delle particelle in questo modo potrebbe aprire la porta a varie strategie per la progettazione di dispositivi di trasporto quantistico con controllo della direzionalità dell'iniezione di correnti per applicazioni in termoelettrico, spintronica, fononica e rilevamento, tra gli altri. Ma Ángel Rubio crede che queste applicazioni siano molto lontane, perché vede dei limiti nel design degli osservatori:"Abbiamo proposto un modello semplice, e la teoria può essere facilmente verificata perché tutti i flussi di energia ed entropia sono preservati. Eseguire questo processo sperimentalmente sarebbe un'altra cosa. Sebbene il tipo di dispositivo che dovrebbe essere progettato esista, e produrlo sarebbe fattibile, proprio adesso, non c'è possibilità di farlo in modo controllato".

Così, il gruppo di ricerca sta ora esplorando altri, idee simili. "Stiamo cercando altri meccanismi in alternativa agli osservatori quantistici che permettano di ottenere effetti simili e che sarebbero più realistici quando si tratta di implementarli sperimentalmente, " dice Rubio.