Físicos chilenos realizan importantes hallazgos en termodinámica cuántica

23-11-17 Rodrigo Arias 0 comentarios

Felipe Barra y Cristóbal Lledó, investigadores del Núcleo Milenio Física de la Materia, de la Universidad de Chile.

La cuántica se ha convertido en una de las áreas de mayor interés para la ciencia y la tecnología, debido al impacto que promete generar en la creación de súper computadoras y máquinas. Desentrañar los vacíos y dudas que existen sobre la termodinámica de estos sistemas se ha vuelto crucial para lograr dichos avances.

Felipe Barra, quien es académico del Departamento de Física FCFM U. de Chile y Cristóbal Lledó, estudiante del programa de Magíster en Ciencias mención en física de la misma unidad académica acaban de publicar en la revista Physical Review E, un estudio donde analizaron la evolución de un sistema cuántico con el objetivo de caracterizar sus transformaciones y cómo se divide el intercambio de energía en ellos, entre trabajo y calor.

El resultado de su trabajo permitió describir escenarios hasta ahora desconocidos en la termodinámica de estos sistemas cuánticos, lo que no sólo entrega luces sobre los conceptos y teorías que se discuten, sino que demuestra que el abanico de aplicaciones podría ser mayor al esperado.

Los hallazgos

El Doctor Felipe Barra explica que para estudiar la termodinámica de un sistema cuántico tomaron un tipo de mapas llamados mapas térmicos.

Los mapas térmicos representan sistemas que llegan al equilibrio termodinámico por sí mismos. Es decir, no es necesario que exista un agente externo que realice trabajo sobre el sistema para que éste logre el equilibrio térmico, intercambiando calor con el medio.

El estado de equilibrio de estos mapas lo representa una cantidad, llamada estado de Gibbs, la cuál depende de la energía total del sistema. Este estado tiene dos propiedades que justifican su apelativo de equilibrio: su entropía (grado de desorden molecular del universo) no aumenta y el mapa no cambia esta cantidad.

Lo que los científicos chilenos encontraron es que para que haya equilibrio no es necesario que esta cantidad dependa de la energía total, como se pensaba, sino que basta con que se cumplan las otras dos propiedades para que eso ocurra. “Lo que encontramos es que hay sistemas que tienen estados equilibro térmico sólo si se cumplan estas dos propiedades, sin ser un estado de Gibbs y eso no se había visto antes”, explica Barra.

No fue lo único que encontraron. Los físicos del Núcleo Milenio mostraron que, en los casos anteriormente descritos, el sistema no llegará al equilibrio térmico por sí mismo, como se supone que ocurre con los mapas térmicos, sino que un agente externo deberá aplicar trabajo sobre el sistema para que esto ocurra. “Como eso no es usual, para convencernos no sólo nos concentramos en las propiedades promedio de la termodinámica, como el calor y el trabajo; sino también en las cantidades fluctuantes, que es lo que se llama termodinámica estocástica”, dice Barra.

Un hallazgo que amplía el conocimiento que se tenía sobre la termodinámica cuántica.

Medir cantidades

Por último, Barra y Lledó también pudieron establecer una correspondencia entre un mapa con equilibrio y una ecuación de Lindblad, una fórmula muy conocida en física y que se usa para calcular el estado de un sistema que tiene balance detallado generalizado. “Nos dimos cuenta de que si uno puede obtener una ecuación de Lindblad, a partir de un mapa con equilibrio, entonces esta cumple con la propiedad de balance detallado generalizado”, explica Barra.

Este hallazgo no es menor, pues permite conocer las cantidades termodinámicas de los sistemas cuánticos de manera más simple.

En general, para evaluar esas cantidades es necesario tener la información que está tanto dentro del sistema, como afuera, en su medio ambiente, lo que en cuántica se puede volver un verdadero dolor de cabeza.

El trabajo de los físicos chilenos revela que si una ecuación de Lindblad tiene balance detallado generalizado no es necesario conocer la información del medio ambiente para estudiar las cantidades termodinámicas del sistema cuántico. Un hallazgo que permite simplificar el estudio de estos sistemas al eliminar variables que pueden complejizar su estudio en laboratorio.

“Con estos hallazgos lo que hacemos es ayudar a entender y ampliar la teoría. Exploramos contextos en que nuestros colegas científicos piensan erróneamente que van a pasar ciertas cosas, pues tienen ideas preconcebidas. Pero demostramos que en esos escenarios el comportamiento es otro y con ello lo que mostramos es que en verdad hay un rango de aplicaciones mucho más amplio para la teoría”, dice Felipe Barra.

 

EL ESTUDIO

Nombre: Stochastic thermodynamics of quantum maps with and without equilibrium.

Publicación: PHYSICAL REVIEW E.

Autores: Felipe Barra y Cristóbal Lledó.

Más detalles: DOI: 10.1103/PhysRevE.00.00210024

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