De todos es conocida la aparente paradoja del gato de Schrödinger, en la que el papel del observador humano determina el destino del gato encerrado en la caja. Sin embargo el papel del observador en mecánica cuántica es real. Tanto que un grupo de investigadores, encabezado por Robert Biele, de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) ha conseguido controlar los flujos térmicos y eléctricos en un dispositivo de tamaño nanoscópico por medio de observaciones cuánticas locales.
La medición, que no es más que una forma de observación, desempeña un papel fundamental en la mecánica cuántica. La ilustración más conocida de los principios de superposición y entrelazamiento es el gato de Schrödinger. Invisible desde el exterior, el gato se encuentra en una superposición coherente de dos estados, vivo y muerto al mismo tiempo.
Mediante una medición, esta superposición se colapsa en un estado concreto. El gato está muerto o vivo. En este famoso experimento mental, una medición del "gato cuántico" puede ser vista como una interacción con un objeto macroscópico que colapsa la superposición en un estado concreto al destruir su coherencia.
La intención es controlar las corrientes térmicas y eléctricas en dispositivos a nanoescala
En el trabajo que nos ocupa los investigadores describen cómo un observador cuántico microscópico es capaz de controlar las corrientes térmicas y eléctricas en dispositivos a nanoescala. La observación cuántica local de un sistema puede inducir cambios continuos y dinámicos en su coherencia cuántica, lo que permite un mejor control de las corrientes de partículas y energía en los sistemas a nanoescala.
La termodinámica clásica de no equilibrio se desarrolló para entender el flujo de partículas y energía entre múltiples reservorios de calor y partículas. El ejemplo más conocido e intuitivo es la formulación de Clausius de la segunda ley de la termodinámica, que dice que que cuando dos objetos con diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor fluirá exclusivamente de la más caliente a la más fría.
En objetos macroscópicos, la observación de este proceso no influye en el flujo de energía y partículas entre ellos. Sin embargo, en dispositivos cuánticos, es necesario revisar los conceptos termodinámicos. Cuando un observador clásico mide un sistema cuántico, esta interacción destruye la mayor parte de la coherencia dentro del sistema y altera su respuesta dinámica.
En cambio, si un observador cuántico actúa sólo localmente, la coherencia cuántica del sistema cambia continua y dinámicamente, proporcionando así otro nivel de control de sus propiedades. Dependiendo de lo fuertes que sean y dónde se realicen estas observaciones cuánticas locales, surgen nuevos y sorprendentes fenómenos de transporte cuántico.
Los científicos estudiaron esta idea en una rueda de trinquete cuántica teórica. Dentro de este sistema, los lados izquierdo y derecho están conectados a dos baños térmicos, caliente y frío, respectivamente. Esta configuración fuerza a la energía a fluir de caliente a frío y a que las partículas fluyan en el sentido de las agujas del reloj dentro de la rueda. La introducción de un observador cuántico, sin embargo, invierte la corriente anular de partículas en contra de la dirección natural del trinquete; un fenómeno causado por el estado electrónico localizado y la alteración de la simetría del sistema.
La observación cuántica es capaz de invertir la dirección del flujo de calor, lo que va contra las leyes de la termodinámica
Además, la observación cuántica también es capaz de invertir la dirección del flujo de calor, contradiciendo la segunda ley de la termodinámica. Esta capacidad para controlar el flujo de calor y las corrientes de partículas podría encontrar un amplio uso en el diseño de dispositivos termoeléctricos, espintrónicos y fotónicos. La observación podría usarse incluso para escribir en una memoria magnética.
Desde un punto de vista más fundamental, este trabajo resalta el papel del observador cuántico. En contraste con el gato de Schrödinger, donde el estado coherente es destruido a través de la interacción con un "observador" macroscópico, aquí, mediante la introducción de un observador cuántico local, la coherencia se cambia local y dinámicamente, permitiendo a los investigadores seleccionar entre los estados coherentes del sistema. O, dicho de otra manera, esto demuestra cómo la termodinámica es muy diferente en el régimen cuántico.
Referencia: Robert Biele et al (2017) Controlling heat and particle currents in nanodevices by quantum observation, npj Quantum Materials. doi: 10.1038/s41535-017-0043-6
Sobre la imagen superior: Ilustración artística del papel de un observador cuántico en un nanodispositivo. Al observar solamente la parte derecha de la figura (cubriendo la parte izquierda con la mano), el agua parece fluir hacia abajo del canal, por el contrario, mirando el cuadro entero el agua en fluye hacia arriba, Esta aparente paradoja imita la superposición coherente de dos estados cuánticos (el agua que fluye hacia arriba y hacia abajo) .Al observar en partes específicas de nuestro sistema, somos capaces de elegir entre estos dos estados y por lo tanto cambiar la "respuesta física del nanodispositivo" de forma controlada. Imagen de K. Aranburu
* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.
