Neue Möglichkeiten für thermodynamische Steuerung der Energie- und Teilchenströme in Quantensystemen
Die Gruppe um Prof. Angel Rubio an der Theorieabteilung des MPSD hat zusammen mit Forschungspartnern gezeigt, wie das Konzept der Quantenmessungen neue Möglichkeiten für die thermodynamische Steuerung der Energie- und Teilchenströme in Quantensystemen bieten kann – weit über denen, die durch die Anwendung von klassischen thermischen Reservoirs möglich sind.
Die Wissenschaftler studierten dieses theoretische Konzept in einer Brownschen Quantenratsche (siehe: itp.tu-berlin.de/Ausarbeitung-BM). Innerhalb dieses Systems sind die linke und rechte Seite jeweils mit einem heißen und einem kalten thermischen Bad verbunden. Diese Konfiguration lässt die Energie von heiß nach kalt fließen, während die Elektronen im Uhrzeigersinn innerhalb der Brownschen Ratsche fließen. Die Wirkung eines Quantenbeobachters zwingt jedoch, diesen Elektronenstrom gegen die natürliche Richtung der Nanomaschine zu fließen. Dieses Phänomen wird durch die Lokalisierung des elektronischen Zustandes und die Störung der Symmetrie des Systems verursacht.
Darüber hinaus ist die Quantenbeobachtung in der Lage, die Richtung des Wärmestroms umzukehren, was im Widerspruch zum zweiten Gesetz der Thermodynamik zu stehen scheint. „Diese Kontrollmöglichkeit der thermoelektrischen Ströme könnte verschiedene Strategien eröffnen, um quantenmechanische Transportsysteme zu konzipieren mit Anwendungen in der Thermoelektrizität, Spintronik, Photonik und Sensorik. Diese Ergebnisse waren ein wichtiger Beitrag zu meiner Doktorarbeit“, sagt Robert Biele, Erstautor der Publikation.
Magnetspeicher schreiben?
Diese Forschungsarbeit hebt die fundamentale Rolle eines Quantenbeobachters hervor: Im Gegensatz zur Schrödinger Katze, bei der die kohärente Überlagerung von Zuständen durch die Wechselwirkung mit einem makroskopischen „Beobachter“ zerstört wird, ändert der lokale Quantenbeobachter örtlich und dynamisch die Kohärenz und ermöglicht damit eine feine Einstellung zwischen diesen Quantenzuständen. „Dies zeigt, wie anders sich die Thermodynamik im Quantenregime verhält. Schrödingers Katzenparadox führt zu neuen thermodynamischen Kräften, die nie zuvor gesehen wurden „, ergänzt César A. Rodríguez Rosario vom CFEL.
Zukünftig werden die Forscher dieses Konzept anwenden, um Spins für Anwendungen in Spin-Injektionen und neuartige Magnetspeicher zu kontrollieren. Angel Rubio hofft: „Dieser Quantenbeobachter – der bisher nur die Partikel- und Energieübertragung im Nanometerbereich kontrolliert- könnte auch einzelne Komponenten des Spins messen und damit Spin-polarisierte Ströme ohne Spin-Bahn-Wechselwirkung erzeugen. Dies könnte verwendet werden, um Magnetspeicher zu schreiben.“
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