La nuova termodinamica: come la fisica quantistica sta cambiando le regole / The new thermodynamics: how quantum physics is changing the rules.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

L'apparato sperimentale del gruppo di Oxford (Jonas Becker) / The experimental apparatus of the Oxford group

La seconda legge della termodinamica: afferma che l'entropia di un sistema isolato (S) non può mai diminuire ma solo aumentare o al massimo rimanere costante (Science Photo Library/AGF) / The second law of thermodynamics states that the entropy of an isolated system (S) can never diminish but only increase or at most remain constant

Nuovi esperimenti stanno verificando i limiti della termodinamica nel mondo quantistico, dove le leggi classiche, anche se non possono essere infrante, devono essere modificate per rendere conto dei fenomeni che si verificano in questo diverso dominio. Da questo nuovo ambito di ricerca, la termodinamica quantistica, potrebbero emergere risultati in grado di dare nuovo impulso allo sviluppo tecnologico.

Un fisico dovrebbe aver perso la ragione per tentare di violare le leggi della termodinamica. Eppure è possibile modificarle. In un laboratorio all'Università di Oxford, in Gran Bretagna, un gruppo di fisici quantistici sta cercando di farlo con un piccolo campione di diamante sintetico.

All'inizio, il diamante è appena visibile, posto all'interno di una caotico groviglio di fibre ottiche e specchi. Ma quando si accende un laser verde, i difetti del diamante sono illuminati e il cristallo inizia a brillare. In quella luce, i ricercatori hanno trovato le prove preliminari di un effetto teorizzato solo pochi anni fa: un boost quantistico che amplificherebbe la potenza del segnale in uscita dal diamante oltre il limite posto dalla termodinamica classica.

Se i risultati fossero confermati, sarebbe una vera manna per la termodinamica quantistica, un campo di studi relativamente nuovo che mira a scoprire le leggi che regolano i flussi di calore ed energia su scala atomica.

C'è ragione di sospettare che nel dominio quantistico le leggi della termodinamica, basate sul comportamento di un gran numero di particelle, siano diverse. Negli ultimi cinque anni, intorno a questa idea è cresciuta una comunità quanto-termodinamica. Quello che una volta era il dominio di una manciata di teorici, ora include alcune centinaia di fisici teorici e sperimentali in tutto il mondo. "Questo ambito sta progredendo così in fretta che riesco a malapena a stare al passo", dice Ronnie Kosloff, della Hebrew University di Gerusalemme, un pioniere di questi studi.

Alcuni dei fisici che si occupano termodinamica quantistica sperano di scoprire un comportamento al di fuori dell'ambito della termodinamica convenzionale che possa essere applicato a scopi pratici, tra cui il miglioramento delle tecniche di refrigerazione usate nei laboratori, la realizzazione 

di batterie con prestazioni migliorate e il raffinamento della tecnologia per il calcolo quantistico.

Ma questo campo di studi è ancora agli inizi. Esperimenti come quello di Oxford hanno appena cominciato a mettere alla prova le previsioni teoriche. E i fisici che non ne fanno parte stanno osservando attentamente tali prove per capire se mostrano la possibilità di applicazioni utili previste dai teorici. "La termodinamica quantistica è evidentemente un tema 'caldo', se mi perdonate il gioco di parole", afferma Ronald Walsworth, dell'Università di Harvard, che è specializzato nello sviluppo di strumenti di precisione a scala atomica. "Ma per chi guarda dall'esterno, la domanda è se può davvero dare un impulso allo sviluppo delle tecnologie".

Infrangere la legge
Le leggi della termodinamica classica sono state sviluppate nel XIX secolo. Sono il frutto dello sforzo di comprendere i motori a vapore e altri sistemi macroscopici. In natura, le quantità termodinamiche come temperatura e calore sono statistiche e sono definite in riferimento al movimento medio di grandi insiemi di particelle. Ma negli anni ottanta, Kosloff iniziò a chiedersi se questo modello avesse ancora senso per sistemi molto più piccoli. All'epoca, non era una linea di ricerca popolare, spiega, perché le domande che poneva erano in gran parte astratte, con poche speranze di una connessione con gli esperimenti. "Il campo si è sviluppato molto lentamente", dice. "Sono rimasto da solo per anni".

Le cose cambiarono drasticamente circa un decennio fa, quando le questioni sui limiti della miniaturizzazione tecnologica diventarono più pressanti e le tecniche sperimentali progredirono. Si fece una quantità enorme di tentativi di calcolare in che modo si potessero combinare la teoria termodinamica e la teoria quantistica. Ma le proposte che emersero crearono più confusione che chiarezza, dice Kosloff.

Alcuni sostenevano che i dispositivi quantistici avrebbero potuto violare impunemente i vincoli termodinamici classici e agire così come macchine a moto perpetuo, in grado di compiere un lavoro senza bisogno di alcun input energetico. Altri, suggerendo che le leggi della termodinamica dovessero valere senza modifiche a scale molto piccole, erano altrettanto perplessi. "In un certo senso, puoi usare le stesse equazioni per analizzare le prestazioni di un motore a singolo atomo e del motore della tua auto", dice Kosloff. "Ma anche questo è sorprendente: sicuramente quando si va sempre più nel mondo microscopico si arriva a un limite quantistico”. Nella termodinamica classica, una singola particella non ha una temperatura. Così via via che il sistema che produce lavoro e il suo ambiente si avvicinano a quel limite, diventa sempre più assurdo immaginare che vengano rispettate le leggi termodinamiche standard, afferma Tobias Schaetz, fisico quantistico dell'Università di Friburgo.

Inizialmente, la preponderanza di affermazioni e previsioni teoriche in conflitto ha minato la credibilità di questo ambito di ricerca. "Sono stato molto critico sul settore, perché c'è tanta teoria e non abbastanza esperimenti", dice Peter Hänggi, fisico quantistico dell'Università tedesca di Augsburg. Ma la comunità sta iniziando a concentrarsi sulle domande fondamentali, nel tentativo di aprirsi un varco nel caos. Un obiettivo è stato quello di utilizzare gli esperimenti per scoprire il punto in cui le leggi classiche della termodinamica non prevedono più perfettamente il comportamento termico dei sistemi quantistici.

Gli esperimenti stanno cominciando a individuare il confine tra mondo classico e mondo quantistico. Lo scorso anno, per esempio, Schaetz e i suoi colleghi hanno dimostrato che, in determinate condizioni, stringhe di cinque o meno ioni di magnesio in un cristallo non superano quel limite, ma rimangono in equilibrio termico con il loro ambiente, così come fanno i sistemi più grandi.

Nel loro test, ogni ione era inizialmente in uno stato ad alta energia e il suo spin oscillava tra due stati corrispondenti alla direzione del suo magnetismo: "su" e "giù". La termodinamica standard prevede che tali oscillazioni di spin dovrebbero diminuire quando gli ioni si raffreddano interagendo con gli altri atomi nel cristallo attorno a loro, proprio come il caffè caldo si raffredda quando le sue molecole si scontrano con le molecole dell'aria circostante più fredda.

Tali collisioni trasferiscono energia dalle molecole di caffè alle molecole d'aria. Un meccanismo di raffreddamento simile entra in gioco nel cristallo, dove le vibrazioni quantizzate del reticolo, chiamate fononi, estraggono calore dagli spin oscillanti. Schaetz e i suoi colleghi hanno scoperto che i loro piccoli sistemi a ioni smettevano di oscillare, il che indicava che si erano raffreddati. Ma dopo alcuni millisecondi, gli ioni hanno ricominciato a oscillare vigorosamente. Questa ripresa di attività ha un'origine quantistica, dice Schaetz. Piuttosto che dissiparsi completamente, i fononi rimbalzavano sui bordi del cristallo e tornavano indietro, in fase, verso i loro ioni di origine, ripristinando le oscillazioni di spin originali.

Schaetz dice che il suo esperimento è un segnale per gli ingegneri che stanno tentando di ridurre le dimensioni dell'elettronica attuale. "Puoi avere un cavo che ha un diametro di soli 10 o 15 atomi e pensare che abbia estratto calore dal chip, ma poi improvvisamente si verifica questo fenomeno quantistico", spiega Schaetz. "È molto inquietante".

I fononi di rimbalzo potrebbero creare problemi in alcune applicazioni, ma altri fenomeni quantistici potrebbero rivelarsi utili. Gli sforzi per identificare tali fenomeni erano stati bloccati dalla difficoltà di definire grandezze fondamentali, come il calore e la temperatura, nei sistemi quantistici. Ma la soluzione di un famoso esperimento mentale, elaborato 150 anni fa dal fisico scozzese James Clerk Maxwell, ha fornito un indizio su che direzione prendere, definendo un interessante legame tra informazione ed energia.

Maxwell immaginò un'entità in grado di scegliere tra molecole lente e molecole veloci, creando una differenza di temperatura tra due camere semplicemente aprendo e chiudendo una porta tra di esse. Questo "diavoletto", come è stato chiamato, genera quindi una camera calda e una camera fredda che possono essere sfruttate per produrre energia utile. Il problema è che, scegliendo le particelle in questo modo, il diavoletto riduce l'entropia del sistema, una misura del disordine delle disposizioni delle particelle, senza aver fatto alcun lavoro sulle particelle stesse. Questo sembra violare la seconda legge della termodinamica.

Ma i fisici finalmente hanno capito che il diavoletto avrebbe pagato un “prezzo termodinamico” per elaborare le informazioni sulle velocità delle molecole. Avrebbe dovuto memorizzare, cancellare e rimemorizzare quelle informazioni nel suo cervello. Quel processo consuma energia e crea un aumento complessivo dell'entropia. Una volta si pensava che l'informazione fosse immateriale, “ma il diavoletto di Maxwell dimostra che essa può avere conseguenze fisiche oggettive", afferma il fisico quantistico Arnau Riera, dell'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona.

Trovare il limite
Ispirandosi all'idea che l'informazione sia una quantità fisica e che sia strettamente legata alla termodinamica, i ricercatori hanno tentato di ricostruire le leggi della termodinamica in modo che lavorino nel regime quantistico.

Le macchine a moto perpetuo possono essere impossibili. Ma inizialmente si sperava che i limiti prescritti dalla termodinamica quantistica potessero essere meno stringenti di quelli che valgono nel dominio classico. "Questo è stato il filo di pensiero che abbiamo mutuato dal calcolo quantistico: gli effetti quantistici consentono di superare i limiti classici", afferma Raam Uzdin, fisico quantistico del Technion–Israel Institute of Technology di Haifa.

Purtroppo non è così, dice Uzdin. Analisi recenti indicano che le versioni quantistiche della seconda legge, che governa l'efficienza, e della terza legge, che vieta ai sistemi di raggiungere lo zero assoluto di temperatura, mantengono vincoli simili, e in alcuni casi più stringenti, delle loro controparti classiche.

Alcune differenze sono dovute al fatto che la quantità termodinamica macroscopica "energia libera", cioè l'energia che un sistema ha a disposizione per funzionare, non ha una sola controparte alle microscale, ma ne ha molte, dice Jonathan Oppenheim, fisico quantistico dello University College di Londra.

Classicamente, l'energia libera viene calcolata postulando che tutti gli stati del sistema, determinati dalla disposizione delle particelle in corrispondenza di una certa energia, siano altrettanto probabili. Ma questa ipotesi non vale alle piccole scale, dice Oppenheim; alcuni stati potrebbero essere molto più probabili di altri. Per tenere conto di ciò, è necessario definire ulteriori energie libere per descrivere in modo accurato il sistema e la sua evoluzione. Oppenheim e i suoi colleghi ipotizzano che esistano diverse versioni della seconda legge per ogni tipo di energia libera e che i dispositivi quantistici debbano obbedire a tutte. "Dal momento che la seconda legge ti dice che cosa non è consentito fare, in qualche modo, sembra che avere più leggi alle microscale sia peggio", dice Oppenheim.

della terza legge rimane, per ora, teorico. Ma i proponenti sostengono che possa aiutare a capire in che modo i limiti termodinamici siano fisicamente applicati alle piccole scale. Per esempio, un'analisi teorica condotta da una coppia di fisici quantistici argentini ha mostrato che quando un frigorifero quantistico si avvicina allo zero assoluto, nelle vicinanze del dispositivo appaiono spontaneamente dei fotoni. "Ciò scarica energia nell'ambiente circostante, provocando un effetto di riscaldamento che contrasta il raffreddamento e impedisce di raggiungere lo zero assoluto", spiega Nahuel Freitas della Ciudad University di Buenos Aires, membro del gruppo.

La teoria ha anche rivelato un potenziale spazio di manovra. Con un'analisi teorica che esaminava il flusso di informazioni tra camere calde e fredde o "bagni" di particelle, un gruppo di Barcellona, che includeva Riera e il fisico quantistico Manabendra Nath Bera, ha scoperto uno strano scenario, in cui il bagno caldo sembrava diventare spontaneamente ancora più caldo, e il bagno freddo ancora più freddo.

"In un primo momento è sembrata una follia, come se si potesse violare la termodinamica", dice Bera. Ma i ricercatori  hanno capito presto di aver trascurato l'entanglement quantistico: le particelle nei bagni possono diventare entangled. In teoria, produrre e rompere queste correlazioni offre un modo per immagazzinare e rilasciare energia. Una volta che questa risorsa quantistica è stata tenuta in conto, le leggi della termodinamica hanno ripreso a valere.

Alcuni gruppi indipendenti hanno proposto di usare questo entanglement per immagazzinare energia in una "batteria quantistica" e un gruppo dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova sta tentando di confermare le previsioni del gruppo di Barcellona con batterie costituite da bit quantistici, o "qubit", superconduttori. In linea di principio, tali batterie quantistiche potrebbero caricarsi in modo molto più veloce dei loro corrispettivi classici. "Non sarai in grado di estrarre e conservare più energia di quanto consentito dal limite classico", dice Riera. "Ma potresti essere in grado di accelerare le cose".

Alcuni ricercatori stanno cercando modi più semplici per manipolare qubit per le applicazioni di calcolo quantistico. Il fisico quantistico Nayeli Azucena Rodríguez Briones dell'Università di Waterloo, in Canada, e i suoi colleghi hanno definito un'operazione che potrebbe migliorare il raffreddamento necessario per le operazioni di calcolo quantistico manipolando coppie di livelli di energia dei qubit. Attualmente hanno in programma di verificare questa idea in laboratorio usando qubit superconduttori.


Una piccola scintilla
L'idea che gli effetti quantistici possano essere sfruttati per migliorare le prestazioni termodinamiche ha ispirato anche l'esperimento col diamante in corso a Oxford, che è stato proposto per la prima volta da Kosloff, Uzdin e Amikam Levy della Hebrew University.

I difetti creati dagli atomi di azoto diffusi attraverso il diamante possono servire come motore, una macchina che esegue un'operazione dopo essere stata messa a contatto con un primo serbatoio caldo (in questo caso un laser) e poi con uno freddo. Ma Kosloff e colleghi si aspettano che un tale motore possa operare anche in una modalità avanzata, sfruttando un effetto quantistico che consente ad alcuni degli elettroni di esistere in due stati di energia contemporaneamente. Mantenere queste sovrapposizioni pulsando la luce laser invece di usare un fascio continuo dovrebbe consentire al cristallo di emettere fotoni a microonde più rapidamente di quanto non avverrebbe in altro modo (si veda l'infografica di "Nature").

La scorsa settimana, il gruppo di Oxford ha pubblicato un'analisi preliminare che dimostra il previsto boost quantistico. L'articolo è ancora in fase di revisione, ma se il lavoro dovesse reggere "sarebbe un progresso notevole", dice Janet Anders, un fisico quantistico dell'Università di Exeter, nel Regno Unito. Ma, aggiunge, non è ancora chiaro esattamente cosa rende possibile questo effetto. "Sembra che sia un combustibile magico: non agisce tanto aggiungendo energia, ma consentendo al motore di estrarre energia più velocemente", dice Anders. "I fisici teorici dovranno esaminarlo per capire come funziona".

Concentrarsi sugli esperimenti è un passo importante nella giusta direzione per rivitalizzare il settore, dice Hänggi. Ma secondo lui gli esperimenti non sono ancora abbastanza audaci da fornire risultati veramente innovativi. C'è anche il problema che i sistemi quantistici possono essere irrimediabilmente disturbati dalla misurazione e dall'interazione con l'ambiente. Di rado però questi effetti sono considerati a sufficienza nelle proposte teoriche di nuovi esperimenti, afferma. "E' difficile da calcolare ed è molto più difficile da implementare in un esperimento", dice.

Anche Ian Walmsley, capo del laboratorio di Oxford dove è stato condotto l'esperimento con i diamanti, è cauto sul futuro del settore. Anche se lui e altri sperimentatori sono stati attirati dalla ricerca sulla termodinamica quantistica negli ultimi anni, afferma che il loro interesse è stato in gran parte "opportunistico". Hanno scoperto la possibilità di condurre esperimenti relativamente rapidi e facili sfruttando gli apparati già pronti per altri usi; per esempio, l'apparato per il difetto del diamante era già ampiamente studiato per applicazioni di calcolo quantico e di sensori. Oggi, la termodinamica quantistica sta facendo scintille, dice Walmsley. "Ma dovremo attendere per capire se continuerà così o se sarà un fuoco di paglia".

ENGLISH

New experiments are testing the limits of thermodynamics in the quantum world, where classical laws, even if they can not be broken, must be altered to account for phenomena occurring in this different domain. From this new field of research, quantum thermodynamics, results could emerge that could give new impetus to technological development.

A physicist should have lost the reason to try to violate the laws of thermodynamics. Yet you can change them. In a laboratory at Oxford University, Great Britain, a group of quantum physicists is trying to do it with a small sample of synthetic diamond.

At first, the diamond is just visible, placed inside a chaotic tangle of fiber optics and mirrors. But when you turn on a green laser, diamond defects are lit and the crystal begins to shine. In that light, researchers found preliminary evidence of a theorized effect only a few years ago: a quantum boost that would amplify the signal output power out of the diamond beyond the limit set by classical thermodynamics.

If the results were confirmed, it would be a real manna for quantum thermodynamics, a relatively new field of study aimed at discovering laws regulating heat and energy flows on an atomic scale.

There is reason to suspect that in the quantum domain the laws of thermodynamics, based on the behavior of a large number of particles, are different. Over the last five years, a very Thermodynamic community has grown around this idea. What once was the rule of a handful of theorists, now includes some hundreds of theoretical and experimental physicists all over the world. "This area is progressing so fast that I can hardly keep up," says Ronnie Kosloff of Hebrew University of Jerusalem, a pioneer in these studies.

Some physicists dealing with quantum thermodynamics hope to discover behavior outside the scope of conventional thermodynamics that can be applied to practical purposes, including improving the refrigeration techniques used in laboratories,

of batteries with improved performance and the refinement of technology for quantum computation.

But this field of study is still in the early stages. Experiments like the one in Oxford have just begun to test the theoretical predictions. And the physicists who are not part of it are carefully watching these tests to see if they show the possibility of useful applications provided by the theorists. "Quantum thermodynamics is obviously a 'hot topic' if you forgive me for playing games," says Ronald Walsworth of Harvard University, who specializes in developing atomic precision instruments. "But for those looking from the outside, the question is whether it can really give impetus to technology development."

Break the law

The laws of classical thermodynamics were developed in the nineteenth century. They are the fruit of the effort to understand steam engines and other macroscopic systems. In nature, thermodynamic quantities such as temperature and heat are statistics and are defined in reference to the medium motion of large particle sets. But in the eighties, Kosloff began to wonder if this model still meant for much smaller systems. At the time, it was not a popular search line, he explains, because the questions he posed were largely abstract, with few hopes for a connection with the experiments. "The field has developed very slowly," he says. "I've been alone for years."

Things changed dramatically about a decade ago when issues about the limits of technological miniaturization became more pressing and experimental techniques progressed. There was a huge amount of attempts to calculate how thermodynamic theory and quantum theory could be combined. But the proposals that came out created more confusion than clarity, Kosloff said.

Some argued that quantum devices could improperly violate classical thermodynamic constraints and act as perpetual motion machines capable of doing a job without the need for any energy input. Others, suggesting that the laws of thermodynamics were valid without modification to very small stairs, were equally perplexed. "In a sense, you can use the same equations to analyze the performance of a single-engine engine and your car's engine," says Kosloff. "But this is also surprising: surely when you go more and more into the microscopic world you get to a quantum limit." In classical thermodynamics, a single particle does not have a temperature, so as the system that produces work and its environment approaching that limit, it becomes increasingly absurd to imagine that standard thermodynamic laws are respected, says Tobias Schaetz, quantum physicist at the University of Freiburg.

Initially, the preponderance of conflicting theoretical predictions and predictions undermined the credibility of this research field. "I was very critical of the industry, because there is so much theory and not enough experiments," says Peter Hänggi, quantum physicist at Augsburg's German University. But the community is beginning to focus on the fundamental questions, in an attempt to open a gap in chaos. One goal was to use the experiments to find out where thermodynamic laws do not predict the thermal behavior of quantum systems more perfectly.

Experiments are beginning to identify the boundary between the classic world and the quantum world. Last year, for example, Schaetz and his colleagues have shown that, under certain conditions, strings of five or less magnesium ions in a crystal do not exceed that limit, but remain in thermal equilibrium with their environment, as are the systems larger.

In their test, each ion was initially in a state of high energy and its spin oscillated between two states corresponding to the direction of its magnetism: "up" and "down". Standard thermodynamics provides that such spin oscillations should decrease when the ions cool down by interacting with the other atoms in the crystal around them just as the hot coffee cools down when its molecules collide with the colder surrounding air molecules.

Such collisions transfer energy from the coffee molecules to the air molecules. A similar cooling mechanism comes into play in the crystal, where quantized vibrations of the lattice, called phonons, extract heat from the oscillating spins. Schaetz and his colleagues discovered that their small ion systems stopped to oscillate, indicating they had cooled down. But after a few milliseconds, the ions have started to oscillate vigorously. This resumption of activity has a quantum origin, Schaetz says. Rather than completely disintegrating, the phonons bounced on the edges of the crystal and went back to their original ions in phase, restoring the original spin oscillations.

Schaetz says his experiment is a sign for engineers who are trying to reduce the size of the current electronics. "You can have a cable that has a diameter of only 10 or 15 atoms and think it has extracted heat from the chip, but then suddenly this quantum phenomenon occurs," explains Schaetz. "It's very disturbing."

Bounce phonions may cause problems in some applications, but other quantum phenomena may prove useful. Efforts to identify such phenomena had been blocked by the difficulty of defining fundamental quantities such as heat and temperature in quantum systems. But the solution to a famous mental experiment, elaborated 150 years ago by Scottish physicist James Clerk Maxwell, provided a clue as to what direction to take, defining an interesting link between information and energy.

Maxwell imagined an entity able to choose between slow molecules and molecules, creating a temperature difference between two rooms simply by opening and closing a door between them. This "devil", as it has been called, thus generates a warm room and a cold chamber that can be exploited to produce useful energy. The problem is that choosing the particles in this way, the devil reduces the entropy of the system, a measure of the particle layout disorder, without doing any work on the particles themselves. This seems to violate the second law of thermodynamics.

But physicists finally realized that the devil would have paid a "thermodynamic price" to process information on molecule speeds. He should have memorized, deleted, and remodeled that information in his brain. That process consumes energy and creates an overall increase in entropy. Once it was thought that the information was immaterial, "Maxwell's devil shows that it can have objective physical consequences," says quantum physicist Arnau Riera of the Institute of Photonics in Barcelona.

Find the limit

Inspired by the idea that the information is a physical quantity and closely related to thermodynamics, the researchers have attempted to rebuild the laws of thermodynamics so that they work in quantum regimes.

Perpetual motion machines can be impossible. But initially it was hoped that the limits prescribed by quantum thermodynamics might be less stringent than those that apply in classical domain. "This was the thread of thought we borrowed from quantum calculus: quantum effects overcome the classical limits," says Rafael Uzdin, quantum physicist at the Technion-Israel Institute of Technology in Haifa.

Unfortunately, this is not the case, says Uzdin. Recent analysis indicates that the quantum versions of the second law governing efficiency and the third law prohibiting systems to achieve absolute zero temperature maintain similar, and in some cases more stringent, constraints than their classical counterparts.

Some differences are due to the fact that the "free energy" of the macroscopic amount of energy, that is, the energy that a system has to operate, does not have a single microscope counterpart, but it has many, says Jonathan Oppenheim, quantum physicist at the University London College.

Classicly, free energy is calculated by postulating that all states of the system, determined by the arrangement of particles at a certain energy, are equally probable. But this hypothesis does not apply to small stairs, says Oppenheim; some states might be much more likely than others. To take this into account, it is necessary to define further free energies to accurately describe the system and its evolution. Oppenheim and his colleagues hypothesize that there are different versions of the second law for each type of free energy and that quantum devices have to obey all. "Since the second law tells you what is not allowed to do, in some ways, it seems that having more laws on the microscale is worse," says Oppenheim.

of the third law remains, for now, theoretical. But the proponents claim it can help figure out how thermodynamic limits are physically applied to small stairs. For example, a theoretical analysis conducted by a pair of Argentine quantum physics has shown that when a quantum fridge approaches absolute zero, spontaneous photons appear near the device. "It drains energy into the surrounding environment, causing a heating effect that counteracts cooling and prevents absolute zero," explains Nahuel Freitas of Ciudad University, Buenos Aires, a member of the group.

The theory also revealed a potential space for maneuver. With a theoretical analysis examining the flow of information between hot and cold rooms or particle baths, a group of Barcelona, ​​including Riera and quantum physicist Manabendra Nath Bera, discovered a strange scenario where the hot bath it seemed to become spontaneously even warmer, and the colder even colder.

"At first it seemed like a madness, as if it could break the thermodynamics," says Bera. But the researchers soon realized that they overlooked quantum entanglement: particles in the bathrooms could become entangled. In theory, producing and breaking these correlations offers a way to store and release energy. Once this quantum resource has been taken into account, the laws of thermodynamics have come to their respects.

Some independent groups have proposed using this entanglement to store energy in a "quantum battery" and a group of the Italian Institute of Technology in Genoa is attempting to confirm the expectations of the Barcelona group with batteries made up of quantum bits, or "qubit" , superconductors. In principle, such quantum batteries could load much faster than their classmates. "You will not be able to extract and save more energy than the classic limit," says Riera. "But you could be able to speed things up."

Some researchers are looking for simpler ways to manipulate qubit for quantum computing applications. Quantum Physicist Nayeli Azucena Rodríguez Briones from the University of Waterloo, Canada, and his colleagues have defined an operation that could improve the cooling needed for quantum computing by manipulating qubit qubit energy levels. They are currently planning to test this idea in the lab using superconducting qubit.

A small spark

The idea that quantum effects can be exploited to improve thermodynamic performance has also inspired the diamond experiment in Oxford, which was proposed for the first time by Kosloff, Uzdin, and Amikam Levy of Hebrew University.

The defects created by the atoms of nitrogen diffused through the diamond can serve as a motor, a machine that performs an operation after being contacted with a first hot tank (in this case a laser) and then with a cold. But Kosloff and colleagues expect that such an engine can operate in an advanced mode, exploiting a quantum effect that allows some of the electrons to exist in two states of energy at the same time. Keeping these overlays by pulsing the laser light instead of using a continuous beam should allow the crystal to emit microwave photons faster than otherwise would occur (see the infographics of "Nature").

Last week, the Oxford Group published a preliminary analysis demonstrating the expected quantum boost. The article is still in the process of review, but if the job is to be held "it would be a remarkable breakthrough," says Janet Anders, a quantum physicist at the University of Exeter, UK. But, he adds, it is not yet clear exactly what makes this effect possible. "It seems to be a magic fuel: it does not do much to add energy, but it allows the engine to extract energy faster," says Anders. "Theoretical physicists will have to look at it to figure out how it works."

Focusing on experiments is an important step in the right direction to revitalize the industry, Hänggi says. But according to him experiments are not yet bold enough to provide truly innovative results. There is also the problem that quantum systems can be irremediably disturbed by measurement and interaction with the environment. Seldom, however, these effects are considered sufficiently in the theoretical proposals of new experiments, he says. "It's difficult to calculate and it's much harder to implement in an experiment," he says.

Also Ian Walmsley, Oxford Laboratory Head where the diamond experiment was conducted, is cautious about the future of the industry. Although he and other experimenters have been attracted to research on quantum thermodynamics in recent years, he claims that their interest was largely "opportunistic". They have discovered the possibility of conducting relatively fast and easy experiments using the devices already ready for other uses; for example, the diamond defect apparatus was already widely studied for quantum computing applications and sensors. Today, quantum thermodynamics is sparking, says Walmsley. "But we will have to wait to see if it will continue so or if it will be a fire of straw."

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/11/04/news/nuova_termodinamica_meccanica_quantistica-3741686/