В термоэлектронном наноразмерном приборе потоки тепла и частиц зависят не только от градиентов температуры и электрического потенциала, но и от того, как квантовый наблюдатель контролирует когерентность прибора. Более того, в некоторых случаях эти потоки направлены против естественных градиентов. Работа физиков из Германии и Испании опубликована в журнале Quantum Materials.

В классической термодинамике процесс переноса тепла от более холодного тела к более горячему запрещен (второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса). Это утверждение основывается на предположении, что в равновесии макроскопическое тело характеризуется интенсивной (грубо говоря, постоянной по всему объему) величиной — температурой. Разумеется, в классической термодинамике наблюдение за процессом переноса тепла при контакте тел с разной температурой никак не влияет на его ход.

Однако для небольших объектов (характерный размер порядка нанометров) идеи термодинамики должны быть пересмотрены. Здесь начинают играть роль квантовые эффекты, когда наблюдатель в ходе измерения неизбежно нарушает когерентность внутри системы и изменяет ее отклик, даже если он воздействует на систему локально. В связи с этим могут возникать разные странные явления, например, квантовый эффект Зенона или интересные термодинамические эффекты. Пристальным изучением последних, собственно, занялись авторы данной статьи.

Для изучения явления ученые использовали следующую модель прибора, который хорошо описывается гамильтонианом в приближении сильно связанных электронов. Слева и справа находятся наборы из девяти атомов, связанные с тепловыми резервуарами при различных температурах и соединенные двумя одноатомными мостиками. Перенос энергии и частиц между резервуарами может происходить только через эти мостики и описывается основным кинетическим уравнением (standard master equation). Для простоты физики предполагали, что к системе не прикладывалось внешнее напряжение, а также что в ней находится только один свободный электрон, хотя результаты не изменились бы в случае большого числа невзаимодействующих частиц. По словам авторов статьи, прибор легко реализовать с помощью кремниевых гетероструктур с холодными атомами или графена.

Квантовый наблюдатель воздействует на систему, изменяя ее когерентность так же, как и в двухщелевом эксперименте. Предполагается, что наблюдатель находится в чистом квантовом состоянии, а не в состоянии термодинамического ансамбля, следовательно, с ним нельзя ассоциировать никакую температуру. Здесь ученые изучали, как изменяются токи тепла и частиц при воздействии наблюдателя на различные участки мостика между резервуарами.

Схемы опытов. Глазом отмечено место воздействия наблюдателя, стрелкой — направление токов. Картинки слева относятся к первому опыту, справа — ко второму. Robert Biele et al / npj Quantum Materials

В случае, когда наблюдения проводились ближе к более теплому резервуару, направление теплового потока совпадало с градиентом температур, хотя и усиливалось. В случае наблюдений, проводившихся ближе к холодному резервуару, поток тепла был направлен в обоих мостиках от холодного тела к горячему. Это кажется странным, однако ученые показали, что квантовый наблюдатель не добавляет в систему потока энтропии, а изменяет поток энергии путем прямого воздействия.

Также интересно, что электронный ток в первом случае направлен по часовой стрелке, а во втором — против. Это является следствием локализации электронного состояния, вызванной локальным наблюдением. Грубо говоря, наблюдатель просто выталкивает электрон в нужном направлении.

Кроме того, авторы статьи предложили практическое применение нового эффекта, смоделировав прибор, похожий на «трещотку Фейнмана» (про нее можно прочитать в «Фейнмановских лекциях по физике», том 4, глава 46). Для этого они сделали рассматриваемый прибор асимметричным, изменив уровни энергии на противоположных краях мостиков (на картинке это отображено сферами разных размеров). В такой системе сам по себе ток течет по часовой стрелке, однако при добавлении квантового наблюдателя он меняет направление на противоположное. Экспериментально такой прибор можно реализовать с помощью методов, разработанных для построения квантовых трещоток в графене, атомных ловушках или для молекулярных соединений.

Ранее мы писали, как адгезия нарушила школьный закон «сила трения пропорциональна нагрузке и не зависит от площади контакта».

Автор: Дмитрий Трунин