Investigadores logran aplicar la termodinámica en el mundo cuántico

En 1798, el físico y oficial Benjamin Thompson, conocido como Conde Rumford, realizó una observación clave al observar cañones siendo perforados en Múnich. Notó que el metal se calentaba continuamente durante el proceso, lo que lo llevó a concluir que el calor no es una sustancia física, sino que puede generarse indefinidamente a través de la fricción mecánica.

Para probar su hipótesis, Rumford colocó los cañones en agua y midió cuánto tiempo tardaba en hervir. Sus experimentos demostraron que el movimiento podía generar grandes cantidades de calor, sentando así las bases de la termodinámica en el siglo XIX. Este nuevo campo fue fundamental durante la Revolución Industrial, al explicar cómo el calor podía convertirse eficientemente en trabajo útil, como en el caso de las máquinas de vapor.

Las Leyes Fundamentales de la Energía y el Desorden

Hoy en día, las leyes de la termodinámica son conocimientos fundamentales para los científicos. Estas establecen que en un sistema cerrado, la cantidad total de energía permanece constante, ya sea en forma de calor o trabajo. También describen la entropía, una medida del desorden que nunca disminuye con el tiempo.

A pesar de que estos principios son válidos en situaciones cotidianas, surgen problemas al intentar aplicarlos a sistemas extremadamente pequeños regidos por la física cuántica. A esa escala, las ideas familiares sobre el calor y el trabajo comienzan a desdibujarse.

Un Desafío Cuántico a la Física Clásica

Investigadores de la Universidad de Basilea, liderados por el profesor Patrick Potts, desarrollaron un nuevo enfoque para definir cantidades termodinámicas en ciertos sistemas cuánticos. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista científica Physical Review Letters.

El estudiante de doctorado Aaron Daniel explicó: "El problema que tenemos con la descripción termodinámica de los sistemas cuánticos es que en tales sistemas, todo es microscópico. Esto significa que la distinción entre trabajo, que es energía macroscópica útil, y calor, o movimiento microscópico desordenado, ya no es sencilla".

Luz Láser en una Cavidad

Para explorar este desafío, el equipo estudió resonadores de cavidad. Estos sistemas atrapan luz láser entre dos espejos, haciendo que la luz rebote antes de que parte de ella eventualmente escape.

La luz láser se diferencia de la luz producida por bombillas o LEDs porque sus ondas electromagnéticas se mueven en perfecta sincronización. Cuando la luz láser viaja a través de una cavidad llena de átomos, esta sincronización, conocida como coherencia, puede verse interrumpida. Como resultado, la luz puede volverse parcialmente o completamente incoherente, lo que corresponde al movimiento desordenado de partículas. Max Schrauwen, un estudiante de licenciatura involucrado en el estudio, comentó: "La coherencia de la luz en un sistema de cavidad láser fue el punto de partida de nuestros cálculos".

Trabajo por Coherencia

Los investigadores comenzaron por aclarar qué significa "trabajo" para la luz láser. Un ejemplo es la capacidad de cargar una llamada batería cuántica, que requiere luz coherente que pueda empujar colectivamente átomos a un estado excitado. Una suposición simple sería que la luz coherente entrante realiza trabajo, mientras que la luz saliente, que ha perdido algo de coherencia, representa calor.

Sin embargo, la situación es más sutil. Incluso la luz que se ha vuelto parcialmente incoherente puede seguir realizando trabajo útil, aunque de manera menos efectiva que la luz completamente coherente. Daniel y sus colegas examinaron qué sucede si solo se cuenta la porción coherente de la luz saliente como trabajo, mientras que la porción incoherente se trata como calor. Con esta definición, ambas leyes de la termodinámica permanecen válidas, mostrando que el marco es autoconstante.

Implicaciones para la Tecnología Cuántica

"En el futuro, podemos utilizar nuestro formalismo para considerar problemas más sutiles en la termodinámica cuántica", afirmó Daniel. Este enfoque podría resultar valioso para las tecnologías cuánticas emergentes, incluidas las redes cuánticas. También podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo el comportamiento clásico familiar emerge del mundo cuántico subyacente.

Temas