Illustration artistique du rôle d'un observateur quantique dans un nanodispositif :en observant uniquement la partie droite de la figure (couvrant la partie gauche avec la main, l'eau semble couler dans le canal, au lieu, en regardant l'ensemble du tableau, l'eau s'écoule en fait vers le haut. Ce paradoxe apparent mime la superposition cohérente de deux états quantiques (l'eau s'écoulant de haut en bas). En observant des parties spécifiques de notre système, nous sommes capables de régler entre ces deux états et donc de modifier la «réponse physique du nanodispositif» de manière contrôlée. Crédit :K. Aranburu
Des chercheurs du département de théorie du MPSD ont réalisé le contrôle des courants thermiques et électriques dans des dispositifs nanométriques au moyen d'observations locales quantiques.
La mesure joue un rôle fondamental en mécanique quantique. L'illustration la plus connue des principes de superposition et d'intrication est le chat de Schrödinger. Invisible de l'extérieur, le chat réside dans une superposition cohérente de deux états, vivant et mort à la fois.
Au moyen d'une mesure, cette superposition s'effondre en un état concret. Le chat est maintenant mort ou vivant. Dans cette célèbre expérience de pensée, une mesure du "chat quantique" peut être vue comme une interaction avec un objet macroscopique faisant s'effondrer la superposition sur un état concret en détruisant sa cohérence.
Dans leur nouvel article publié dans Matériaux quantiques npj , des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière et des collaborateurs de l'Université du Pays basque (UPV/EHU) et du Centre de Brême pour la science des matériaux informatiques ont découvert comment un observateur quantique microscopique est capable de contrôler les courants thermiques et électriques dans dispositifs nanométriques. L'observation quantique locale d'un système peut induire des changements continus et dynamiques dans sa cohérence quantique, ce qui permet un meilleur contrôle des courants de particules et d'énergie dans les systèmes nanométriques.
La thermodynamique classique hors équilibre a été développée pour comprendre le flux de particules et d'énergie entre plusieurs réservoirs de chaleur et de particules. L'exemple le plus connu est la formulation par Clausius de la deuxième loi de la thermodynamique, indiquant que lorsque deux objets avec des températures différentes sont mis en contact, la chaleur s'écoulera exclusivement du plus chaud vers le plus froid.
Dans les objets macroscopiques, l'observation de ce processus n'influence pas le flux d'énergie et de particules entre eux. Cependant, dans les appareils quantiques, les concepts thermodynamiques doivent être revisités. Lorsqu'un observateur classique mesure un système quantique, cette interaction détruit la majeure partie de la cohérence à l'intérieur du système et modifie sa réponse dynamique.
Au lieu, si un observateur quantique n'agit que localement, la cohérence quantique du système change continuellement et dynamiquement, fournissant ainsi un autre niveau de contrôle de ses propriétés. Selon la force et l'endroit où ces observations quantiques locales sont effectuées, des phénomènes de transport quantique nouveaux et surprenants apparaissent.
Le groupe du Prof.Dr. Angel Rubio au Département Théorie du MPSD, avec leurs collègues, ont démontré comment le concept de mesures quantiques peut offrir de nouvelles possibilités pour un contrôle thermodynamique du transport quantique (chaleur et particule). Ce concept offre des possibilités bien au-delà de celles obtenues avec les réservoirs thermiques classiques classiques.
Les scientifiques ont étudié cette idée dans un cliquet quantique théorique. Au sein de ce système, les côtés gauche et droit sont reliés aux thermes chauds et froids, respectivement. Cette configuration oblige l'énergie à circuler du chaud vers le froid et les particules à circuler dans le sens des aiguilles d'une montre à l'intérieur du cliquet. L'introduction d'un observateur quantique, cependant, inverse le courant annulaire des particules contre la direction naturelle du cliquet, un phénomène causé par l'état électronique localisé et la perturbation de la symétrie du système.
Par ailleurs, l'observation quantique est également capable d'inverser le sens du flux de chaleur, contredisant la deuxième loi de la thermodynamique. "Un tel contrôle de la chaleur et du courant de particules pourrait ouvrir la porte à différentes stratégies pour concevoir des dispositifs de transport quantique avec contrôle de directionnalité de l'injection de courants. Il pourrait y avoir des applications en thermoélectricité, spintronique, photonique, et sentir, entre autres. Ces résultats ont été une contribution importante à ma thèse de doctorat, " dit Robert Biele, premier auteur de l'article.
D'un point de vue plus fondamental, ce travail met en évidence le rôle d'un observateur quantique. Contrairement au chat de Schrödinger, où l'état cohérent est détruit via l'interaction avec un "observateur macroscopique, " ici, en introduisant un observateur quantique local, la cohérence est modifiée localement et dynamiquement, permettant aux chercheurs de s'accorder entre les états cohérents du système. "Cela montre à quel point la thermodynamique est très différente dans le régime quantique. Le paradoxe du chat de Schrödinger conduit à de nouvelles forces thermodynamiques jamais vues auparavant, " dit César A. Rodríguez Rosario.
Dans le futur proche, les chercheurs appliqueront ce concept au contrôle des spins pour des applications dans l'injection de spins et de nouvelles mémoires magnétiques. Angel Rubio suggère que "l'observateur quantique - en plus de contrôler le transfert de particules et d'énergie à l'échelle nanométrique - pourrait également observer des spins, sélectionner des composants individuels, et donnent naissance à des courants polarisés en spin sans couplage spin-orbite. L'observation pourrait être utilisée pour écrire une mémoire magnétique."
