Fig. 1:Schema del setup sperimentale. a Il calore scorre dallo spin caldo a quello freddo (a contatto termico) quando entrambi sono inizialmente non correlati. Ciò corrisponde alla termodinamica standard. Per spin inizialmente quantistici, il calore viene trasferito spontaneamente dalla centrifuga fredda a quella calda. La direzione del flusso di calore è qui invertita. b Vista del magnetometro utilizzato nel nostro esperimento NMR. Un magnete superconduttore, producendo un campo magnetico ad alta intensità (B0) in direzione longitudinale, è immerso in un recipiente termicamente schermato in He liquido, circondato da N liquido in un'altra camera separata dal vuoto. Il campione viene posto al centro del magnete all'interno della bobina a radiofrequenza della testa della sonda all'interno di un tubo di vetro da 5 mm. c Sequenza di impulsi sperimentale per il processo di termalizzazione parziale. Il cerchio blu (nero) rappresenta le rotazioni x (y) dell'angolo indicato. Le connessioni arancioni rappresentano una libera evoluzione sotto l'accoppiamento scalare, HHCJ=(πℏ/2)JσHzσCz, tra gli spin nucleari 1H e 13C durante il tempo indicato sopra il simbolo. Abbiamo eseguito 22 campionamenti del tempo di interazione nell'intervallo da 0 a 2,32 ms. Credito:Comunicazioni sulla natura, da:Invertire la direzione del flusso di calore usando correlazioni quantistiche
Il calore scorre da oggetti caldi a oggetti freddi. Quando un corpo caldo e uno freddo sono in contatto termico, scambiano energia termica fino a raggiungere l'equilibrio termico, con il corpo caldo che si raffredda e il corpo freddo che si scalda. Questo è un fenomeno naturale che sperimentiamo continuamente. È spiegato dalla seconda legge della termodinamica, che afferma che l'entropia totale di un sistema isolato tende sempre ad aumentare nel tempo fino a raggiungere un massimo. L'entropia è una misura quantitativa del disordine in un sistema. I sistemi isolati evolvono spontaneamente verso stati sempre più disordinati e privi di differenziazione.
Un esperimento condotto dai ricercatori del Centro brasiliano per la ricerca in fisica (CBPF) e dell'Università federale dell'ABC (UFABC), così come collaboratori presso altre istituzioni in Brasile e altrove, ha dimostrato che le correlazioni quantistiche influenzano il modo in cui l'entropia è distribuita tra le parti in contatto termico, invertendo la direzione della cosiddetta "freccia del tempo termodinamica".
In altre parole, il calore può fluire spontaneamente da un oggetto freddo a un oggetto caldo senza la necessità di investire energia nel processo, come richiesto da un frigorifero domestico. Un articolo che descrive l'esperimento con considerazioni teoriche è stato appena pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
Il primo autore dell'articolo, Kaonan Micadei, completato il suo dottorato di ricerca. sotto la supervisione del professor Roberto Serra e attualmente svolge attività di ricerca post-dottorato in Germania. Serra, anche uno degli autori dell'articolo, è stato sostenuto da FAPESP tramite l'Istituto nazionale brasiliano di scienza e tecnologia nell'informazione quantistica. FAPESP ha inoltre assegnato due assegni di ricerca legati al progetto ad un altro coautore, Gabriel Teixeira Landi, un professore presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP).
"Si può dire che le correlazioni rappresentano informazioni condivise tra diversi sistemi. Nel mondo macroscopico descritto dalla fisica classica, l'aggiunta di energia dall'esterno può invertire il flusso di calore in un sistema in modo che passi dal freddo al caldo. Questo è ciò che accade in un normale frigorifero, Per esempio, " Serra ha detto ad Agência FAPESP.
"È possibile dire che nel nostro esperimento nanoscopico, le correlazioni quantistiche producevano un effetto analogo a quello dell'energia aggiunta. La direzione del flusso è stata invertita senza violare la seconda legge della termodinamica. Anzi, se prendiamo in considerazione elementi di teoria dell'informazione nel descrivere il trasferimento di calore, troviamo una forma generalizzata della seconda legge e dimostriamo il ruolo delle correlazioni quantistiche nel processo."
L'esperimento è stato eseguito con un campione di molecole di cloroformio (un atomo di idrogeno, un atomo di carbonio e tre atomi di cloro) contrassegnati con un isotopo di carbonio-13. Il campione è stato diluito in soluzione e studiato utilizzando uno spettrometro a risonanza magnetica nucleare, simili agli scanner MRI utilizzati negli ospedali ma con un campo magnetico molto più forte.
"Abbiamo studiato i cambiamenti di temperatura negli spin dei nuclei degli atomi di idrogeno e carbonio. Gli atomi di cloro non hanno avuto alcun ruolo materiale nell'esperimento. Abbiamo usato impulsi a radiofrequenza per posizionare lo spin di ciascun nucleo a una temperatura diversa, uno più fresco, un altro più caldo. Le differenze di temperatura erano piccole, nell'ordine delle decine di miliardesimi di 1 Kelvin, ma ora disponiamo di tecniche che ci consentono di manipolare e misurare i sistemi quantistici con estrema precisione. In questo caso, abbiamo misurato le fluttuazioni di radiofrequenza prodotte dai nuclei atomici, " disse Serra.
I ricercatori hanno esplorato due situazioni:in una, i nuclei di idrogeno e carbonio hanno iniziato il processo non correlato, e nell'altro, inizialmente erano quantistici correlati.
"Nel primo caso, con i nuclei non correlati, abbiamo osservato il calore fluire nella solita direzione, dal caldo al freddo, fino a quando entrambi i nuclei erano alla stessa temperatura. Nel secondo, con i nuclei inizialmente correlati, abbiamo osservato il calore fluire nella direzione opposta, dal freddo al caldo. L'effetto è durato pochi millesimi di secondo, fino a quando la correlazione iniziale non è stata consumata, "Spiega Serra.
L'aspetto più degno di nota di questo risultato è che suggerisce un processo di refrigerazione quantistica in cui l'aggiunta di energia esterna (come avviene nei frigoriferi e nei condizionatori d'aria per raffreddare un determinato ambiente) può essere sostituita da correlazioni, cioè., uno scambio di informazioni tra oggetti.
Il demone di Maxwell
L'idea che le informazioni possano essere utilizzate per invertire la direzione del flusso di calore, in altre parole, per determinare una diminuzione locale dell'entropia, sorto nella fisica classica a metà del diciannovesimo secolo, molto prima che la teoria dell'informazione fosse inventata.
Fu un esperimento mentale proposto nel 1867 da James Clerk Maxwell (1831-1879), chi, tra l'altro, creò le famose equazioni dell'elettromagnetismo classico. In questo esperimento mentale, che all'epoca suscitò un'accesa polemica, il grande fisico scozzese diceva che se esistesse un essere capace di conoscere la velocità di ogni molecola di un gas e di manipolare tutte le molecole su scala microscopica, questo essere potrebbe separarli in due destinatari, posizionando molecole più veloci della media in una per creare un compartimento caldo e molecole più lente della media nell'altro per creare un compartimento freddo. In questo modo, un gas inizialmente in equilibrio termico a causa di una miscela di molecole più veloci e più lente evolverebbe in uno stato differenziato con minore entropia.
Maxwell intendeva che l'esperimento mentale dimostrasse che la seconda legge della termodinamica era semplicemente statistica.
"L'essere che ha proposto, capace di intervenire nel mondo materiale su scala molecolare o atomica, divenne noto come "il demone di Maxwell". Era una finzione inventata da Maxwell per presentare il suo punto di vista. Però, ora siamo effettivamente in grado di operare su scala atomica o anche su scale più piccole, in modo che le normali aspettative siano modificate, " disse Serra.
L'esperimento condotto da Serra e collaboratori e descritto nell'articolo appena pubblicato ne è una dimostrazione. Non riproduceva l'esperimento mentale di Maxwell, Certo, ma ha prodotto un risultato analogo.
"Quando si parla di informazione, non ci riferiamo a qualcosa di intangibile. Le informazioni richiedono un substrato fisico, un ricordo. Se vuoi cancellare 1 bit di memoria da un'unità flash, devi spendere 10, 000 volte la quantità minima di energia costituita dalla costante di Boltzmann per la temperatura assoluta. Questo minimo di energia necessaria per cancellare le informazioni è noto come principio di Landauer. Questo spiega perché la cancellazione delle informazioni genera calore. Le batterie dei notebook vengono consumate dal calore più di ogni altra cosa, " disse Serra.
Ciò che i ricercatori hanno osservato è che le informazioni presenti nelle correlazioni quantistiche possono essere utilizzate per eseguire lavori, in questo caso il trasferimento di calore da un oggetto più freddo a uno più caldo, senza consumare energia esterna.
"Possiamo quantificare la correlazione di due sistemi per mezzo di bit. Le connessioni tra la meccanica quantistica e la teoria dell'informazione stanno creando quella che è nota come scienza dell'informazione quantistica. Dal punto di vista pratico, l'effetto che abbiamo studiato potrebbe un giorno essere usato per raffreddare parte del processore di un computer quantistico, " disse Serra.