Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας εισήγαγαν έναν νέο τρόπο εφαρμογής των θερμοδυναμικών αρχών σε πολύ μικρά κβαντικά συστήματα. Η ιστορία της θερμοδυναμικής ξεκινά το 1798, όταν ο αξιωματικός και φυσικός Βενιαμίν Τόμπσον (γνωστός και ως Κόμης Ράμφορντ) μελέτησε τη διάτρηση των καννών των κανονιών στο Μόναχο και συνειδητοποίησε ότι η θερμότητα δεν είναι μια φυσική ουσία αλλά μπορεί να παραχθεί απεριόριστα μέσω μηχανικής τριβής. Ο Ράμφορντ τοποθέτησε τις θερμαινόμενες κάννες σε νερό, χρονομετρώντας πόσο χρόνο χρειαζόταν για να βράσει, με πειράματα όπως αυτά να συμβάλλουν στη διαμόρφωση του πεδίου της θερμοδυναμικής τον 19ο αιώνα.
Η θερμοδυναμική έπαιξε καθοριστικό ρόλο στη Βιομηχανική Επανάσταση, δείχνοντας πώς η θερμότητα μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμο έργο σε συσκευές όπως οι ατμομηχανές. Σήμερα, οι κύριοι νόμοι της θερμοδυναμικής αποτελούν ουσιώδη γνώση στις φυσικές επιστήμες. Ορίζουν ότι η συνολική ενέργεια, η οποία περιλαμβάνει τόσο τη θερμότητα όσο και το έργο, παραμένει σταθερή σε ένα κλειστό σύστημα, και ότι η εντροπία, η οποία αντιπροσωπεύει την αταξία, δεν μπορεί να μειωθεί.
Αυτοί οι νόμοι ισχύουν γενικά, αλλά όταν προσπαθεί κανείς να τους εφαρμόσει στα μικρότερα κβαντικά συστήματα, γρήγορα συναντά δυσκολίες. Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας, με επικεφαλής τον καθηγητή Patrick P. Potts, βρήκε τώρα έναν νέο τρόπο να ορίσει τις θερμοδυναμικές ποσότητες με συνέπεια για ορισμένα κβαντικά συστήματα. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters.
Φως λέιζερ σε κοιλότητα
«Το πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε με τη θερμοδυναμική περιγραφή των κβαντικών συστημάτων είναι ότι σε τέτοια συστήματα, τα πάντα είναι μικροσκοπικά. Αυτό σημαίνει ότι η διάκριση μεταξύ έργου, το οποίο είναι ωφέλιμη μακροσκοπική ενέργεια, και θερμότητας, ή άτακτης μικροσκοπικής κίνησης, δεν είναι πλέον ξεκάθαρη», εξηγεί ο διδακτορικός φοιτητής Aaron Daniel. Δίνοντας ένα παράδειγμα, ο Daniel και οι συνάδελφοί του μελέτησαν πιο προσεκτικά τους λεγόμενους συντονιστές κοιλότητας (cavity resonators), στους οποίους το προσπίπτον φως λέιζερ ανακλάται ανάμεσα σε δύο καθρέφτες και, τελικά, εξέρχεται μερικώς από την κοιλότητα.
Σε αντίθεση με το φως από μια συνηθισμένη λάμπα πυρακτώσεως ή LED, το φως λέιζερ έχει την ειδική ιδιότητα ότι όλα τα ηλεκτρομαγνητικά του κύματα ταλαντώνονται απολύτως συγχρονισμένα. Ωστόσο, εάν το φως λέιζερ περάσει μέσα από μια κοιλότητα γεμάτη με άτομα, αυτός ο συγχρονισμός – που ονομάζεται επίσης συνοχή – μπορεί να διαταραχθεί σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό.
Σε αυτήν την περίπτωση, το φως γίνεται μερικώς ή εντελώς ασύμφωνο (πράγμα που αντιστοιχεί στην άτακτη κίνηση των σωματιδίων). «Η συνοχή του φωτός σε ένα τέτοιο σύστημα λέιζερ-κοιλότητας ήταν η αφετηρία των υπολογισμών μας», λέει ο Max Schrauwen, φοιτητής που συμμετείχε στο έργο.
Η νέα προσέγγιση
Οι ερευνητές όρισαν πρώτα τι εννοούν με τον όρο «έργο» στο πλαίσιο του φωτός λέιζερ: για παράδειγμα, την ικανότητα να φορτίζει μια λεγόμενη κβαντική μπαταρία. Αυτό απαιτεί σύμφωνο (coherent) φως που μπορεί συλλογικά να οδηγήσει ένα σύνολο ατόμων σε διεγερμένη κατάσταση.
Για λόγους απλοποίησης, κάποιος θα μπορούσε να υποθέσει ότι το σύμφωνο φως λέιζερ που εισέρχεται στην κοιλότητα είναι σε θέση να παράγει έργο, ενώ το μερικώς ασύμφωνο φως λέιζερ που εξέρχεται από την κοιλότητα δεν είναι. Σύμφωνα με αυτό το σκεπτικό, το φως που εξέρχεται από την κοιλότητα θα έπρεπε να ονομάζεται «θερμότητα».
Ωστόσο, ακόμη και το μερικώς ασύμφωνο φως μπορεί, κατ’ αρχήν, να παράγει κάποιο χρήσιμο έργο – απλά λιγότερο από το εντελώς σύμφωνο φως. Ο Daniel και οι συνάδελφοί του διερεύνησαν τι συμβαίνει όταν το σύμφωνο μέρος του εξερχόμενου φωτός θεωρείται έργο και μόνο το ασύμφωνο μέρος αντιμετωπίζεται ως θερμότητα.
Το αποτέλεσμα: αν το έργο οριστεί με αυτόν τον τρόπο, και οι δύο νόμοι της θερμοδυναμικής εκπληρώνονται και, επομένως, η προσέγγιση είναι συνεπής. «Στο μέλλον, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον φορμαλισμό μας για να εξετάσουμε πιο λεπτά προβλήματα στην κβαντική θερμοδυναμική», λέει ο Daniel.
Αυτό είναι σημαντικό, για παράδειγμα, για εφαρμογές σε κβαντικές τεχνολογίες, όπως τα κβαντικά δίκτυα. Επιπλέον, με αυτόν τον τρόπο μπορεί να μελετηθεί ακόμη καλύτερα η μετάβαση από την κλασική στη κβαντική συμπεριφορά μακροσκοπικών συστημάτων.