Sebbene molte delle teorie accettate oggi della termodinamica classica siano anteriori anche alla rivoluzione industriale, hanno contribuito a promuovere, rimangono molte domande aperte su come queste idee si traducano al livello dei singoli sistemi quantistici. In particolare, il potenziale di sovrapposizione degli stati ha implicazioni ancora inesplorate per il comportamento termodinamico. Ora, una collaborazione di ricercatori in Giappone, l'Ucraina e gli Stati Uniti hanno prodotto un dispositivo quantistico che non solo può comportarsi in modo analogo a un motore termico e a un frigorifero, ma anche una sovrapposizione di entrambi allo stesso tempo.

Keiji Ono, Sergey Shevchenko e Franco Nori, che condividono un'affiliazione con RIKEN in Giappone, tra le altre loro istituzioni, Il B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering e l'Università del Michigan hanno lavorato tutti con i qubit in varie forme. Si sono riuniti per esaminare il comportamento dei qubit basati sulle impurità nel silicio per l'interferometria quantistica prima di rivolgere la loro attenzione a come il comportamento di questi sistemi potrebbe assomigliare ai classici motori termici.

Sfide sperimentali

L'esplorazione della termodinamica a livello quantistico apre alcune possibilità intriganti. "Uno degli argomenti discussi in questo campo è la possibilità dei motori termici quantistici di superare l'efficienza di quelli classici, Shevchenko suggerisce come esempio. Tuttavia, non è privo di sfide, il che significa che la maggior parte degli studi finora sono stati puramente teorici. Tra le altre caratteristiche, per l'ingegneria quantistica, è importante avere qubit che siano "caldi, denso, e coerente, " Shevchenko dice a Phys.org. Qui, "caldo" significa lavorare nel regime dei pochi Kelvin, quale, mentre ancora abbastanza gelido, è tecnologicamente meno impegnativo rispetto ai sistemi che richiedono un raffreddamento fino a millikelvin. Il compromesso è che tali sistemi caldi sono più difficili da descrivere e controllare, ma qui, i ricercatori sono stati in grado di sfruttare la loro vasta esperienza con i qubit a base di silicio.

Ono, Shevchenko e Nori ei loro collaboratori hanno basato i loro studi di termodinamica quantistica su un transistor ad effetto di campo tunnel realizzato con impurità densamente impiantate nel silicio. Sotto tensioni di guadagno sorgente, il trasporto attraverso il loro dispositivo è dominato dal tunneling tra un'impurità vicino alla superficie (superficiale) e una vicina ma più profonda all'interno del materiale, creando un dispositivo a due livelli di energia. Il comportamento di trasporto degli elettroni del dispositivo dà luogo a interessanti caratteristiche di spin, in particolare, una risonanza di spin dell'elettrone in cui i picchi di corrente source-drain per specifici campi magnetici AC e DC applicati. Da questo picco di risonanza, sono stati in grado di estrarre due tempi caratteristici che riflettono la durata dello stato eccitato sull'impurezza e il suo tempo di decoerenza. Il tempo di decoerenza definisce per quanto tempo viene mantenuta una relazione di fase definita tra la sua funzione d'onda e le altre, che consente la sovrapposizione e l'interferenza.

Oltre a poter pilotare il dispositivo con la tensione di gate per popolare i due livelli di energia, i ricercatori potrebbero anche regolare il divario tra i livelli di energia modulando la frequenza e l'ampiezza dei campi magnetici. Di conseguenza, a seconda che il sistema sia stato portato allo stato eccitato quando il divario era ampio e rilassato quando era più piccolo o viceversa, funzionerebbe in modo analogo a un motore termico oa un frigorifero Otto. Gli interessanti effetti quantistici si verificano quando il periodo di rilassamento e il periodo della tensione di pilotaggio iniziano a coincidere. A questo punto, mostrano che la funzione del dispositivo può essere in una sovrapposizione sia di un motore che di uno stato di frigorifero. I calcoli teorici della probabilità di eccitazione corrispondevano perfettamente alle correnti di picco misurate.

Limiti e sviluppi futuri

Ci sono alcune distinzioni tra il funzionamento del loro dispositivo quantistico e un classico motore termico o frigorifero. In particolare, non ci sono bagni di calore, sebbene il loro dispositivo sia collegato a cavi di tensione più alta e più bassa, fungendo da analoghi elettrici dei bagni di calore. Ciò nonostante, Shevchenko dice, "È sorprendente considerare la nuova possibilità di avere una sovrapposizione quantistica di un minuscolo motore e un minuscolo frigorifero".

Mentre il primo a riconoscere che nel caso macroscopico o classico, un tale dispositivo non soddisferebbe molte esigenze pratiche, i ricercatori sperano che per gli oggetti quantistici possa introdurre nuove funzionalità non solo interessanti ma anche utili. Come altro esempio, Shevchenko cita il laser, che è stato inventato molto prima che le applicazioni ormai onnipresenti diventassero evidenti. "Crediamo che i nostri risultati siano scientificamente interessanti, " Shevchenko dice a Phys.org. "Per il momento, stiamo esplorando la sua fisica di base, e [credono] che le possibili applicazioni non siano chiare in questo momento. Questo accade spesso nella scienza".

© 2020 Scienza X Rete