Des chercheurs de l'UCM et du CSS ont rencontré une violation partielle de la deuxième loi de la thermodynamique dans un système quantique connu sous le nom de réseau de Hofstadter. Cette violation partielle n'a pas sa place dans le cadre de la physique classique.
Un réseau de Hofstadter est un modèle théorique avec un réseau carré à deux dimensions à travers lequel circulent des particules quantiques comme des électrons ou des photons. De plus, lorsqu'une de ces particules complète un chemin fermé dans le réseau, la particule acquiert une phase quantique.
Ce système modélise une classe de matériaux bidimensionnels (similaires au graphène) avec des propriétés si inhabituelles qu'elles sortent de la classification typique des conducteurs ou des isolants, et sont plutôt décrits comme des isolants topologiques.
L'une des propriétés les plus frappantes de ce système est la présence de courants de bord, tandis que l'intérieur ne permet aucune conduction. En outre, ces courants de bord sont remarquablement forts même en présence d'impuretés dans le matériau, qui les a mis sur le radar de la communauté scientifique pour des applications en spintronique, photonique et informatique quantique.
Dans un article publié dans la revue Rapports scientifiques , les chercheurs Ángel Rivas et Miguel A. Martin-Delgado du Département de physique théorique de l'UCM et du CCS expliquent avoir étudié les propriétés thermodynamiques de ce système en le plaçant en présence de deux sources de chaleur, un chaud et un froid. Faire cela, ils ont formulé une théorie quantique qui décrit cette situation et résolu les équations dynamiques.
Ce qui prédit les calculs théoriques, c'est que le transport de la chaleur présente un comportement bien au-delà des caractéristiques typiques de la thermodynamique classique. Spécifiquement, sur un bord du matériau est induit un courant qui passe d'un point froid à un point chaud. Ceci est contraire à la deuxième loi de la thermodynamique, sous lequel il n'est pas possible que la chaleur s'écoule spontanément d'un corps froid vers un corps plus chaud.
D'un point de vue technologique, la deuxième loi de la thermodynamique limite l'efficacité énergétique pratique des appareils tels que les moteurs, piles, réfrigérateurs, cellules solaires, etc.
Une violation partielle
Cependant, lorsque le reste des bords et l'intérieur du matériau sont pris en compte, la seconde loi est rétablie. Cette violation « partielle » est un effet de ce type de système quantique exotique qui ne rentre pas dans le cadre de la physique classique.
Par ailleurs, ces courants présentent également une robustesse à la présence d'impuretés qui observent certains motifs de symétrie liés à la position des sources thermiques et à la dynamique dissipative qu'elles induisent.
Ce nouveau phénomène, appelé « symétrie-protection dissipative, " n'a jamais été observé auparavant et pourrait donner lieu à de nouvelles applications non seulement intéressantes mais d'une utilité pratique.
La recherche se déroule dans un cadre de simulation quantique, une discipline qui cherche à étudier de tels matériaux à travers des dispositifs artificiels aux caractéristiques similaires obtenus par des techniques de contrôle quantique, tels que les réseaux photoniques et les atomes ultra-froids.
Ces résultats conduiront à des applications nouvelles et inattendues dans le développement de technologies quantiques, tels que les simulateurs quantiques ou les mémoires quantiques, présentant plus de stabilité et fonctionnant dans des conditions réalistes soumises à des fluctuations de température.
