Pesquisadores da UCM e CSS encontraram uma violação parcial da segunda lei da termodinâmica em um sistema quântico conhecido como rede de Hofstadter. Essa violação parcial não tem lugar na estrutura da física clássica.
Uma rede de Hofstadter é um modelo teórico com uma rede bidimensional quadrada através da qual circulam partículas quânticas como elétrons ou fótons. Além disso, quando uma dessas partículas completa um caminho fechado na rede, a partícula adquire uma fase quântica.
Este sistema modela uma classe de materiais bidimensionais (semelhantes ao grafeno) com propriedades tão incomuns que estão fora da classificação típica de condutores ou isoladores, e são descritos como isolantes topológicos.
Uma das propriedades mais marcantes apresentadas por este sistema é a presença de correntes de borda, enquanto o interior não permite nenhuma condução. Além disso, essas correntes de borda são notavelmente fortes, mesmo na presença de impurezas no material, que os colocou no radar da comunidade científica para aplicações em spintrônica, fotônica e computação quântica.
Em artigo publicado na revista Relatórios Científicos , os investigadores Ángel Rivas e Miguel A. Martin-Delgado do Departamento de Física Teórica da UCM e CCS explicam que estudaram as propriedades termodinâmicas deste sistema colocando-o na presença de duas fontes de calor, um quente e um frio. Para fazer isso, eles formularam uma teoria quântica que descreve esta situação e resolveu as equações dinâmicas.
O que prediz os cálculos teóricos é que o transporte de calor apresenta um comportamento muito além das características típicas da termodinâmica clássica. Especificamente, em uma borda do material é induzida uma corrente que flui de um ponto frio para um ponto quente. Isso é contrário à segunda lei da termodinâmica, sob o qual não é possível que o calor flua espontaneamente de um corpo frio para um mais quente.
Do ponto de vista tecnológico, a segunda lei da termodinâmica limita a eficiência energética prática de dispositivos como motores, baterias, geladeiras, células solares, etc.
Uma Violação Parcial
Contudo, quando o restante das bordas e o interior do material são levados em consideração, a segunda lei é restaurada. Essa violação "parcial" é um efeito desse tipo de sistema quântico exótico que não se encaixa na estrutura da física clássica.
Além disso, essas correntes também apresentam robustez à presença de impurezas que observam certos padrões de simetria relacionados à posição das fontes térmicas e à dinâmica dissipativa que induzem.
Este novo fenômeno, chamado de "proteção de simetria dissipativa, "nunca foi observado antes e pode dar origem a novas aplicações que não são apenas interessantes, mas de utilidade prática.
A pesquisa ocorre dentro de uma estrutura de simulação quântica, disciplina que busca estudar tais materiais por meio de dispositivos artificiais com características semelhantes obtidas por técnicas de controle quântico, como redes fotônicas e átomos ultra-frios.
Esses resultados levarão a novas e inesperadas aplicações no desenvolvimento de tecnologias quânticas, como simuladores quânticos ou memórias quânticas, apresentando mais estabilidade e operando em condições realistas sujeitas a flutuações de temperatura.
