Detectan la producción de entropía en sistemas cuánticos mesoscópicos

Una investigación a cargo de científicos brasileños en colaboración con instituciones de otros cuatro países ayuda a entender cómo transcurre la transición del mundo cuántico al mundo clásico

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La producción de entropía –es decir, el aumento del grado de desorden de un sistema– es una tendencia inexorable en el mundo macroscópico, producto de la segunda ley de la termodinámica. Esto hace que los procesos descritos por la Física clásica resulten irreversibles. Y por extensión le impone un sentido a la línea del tiempo. No obstante, esta tendencia no vale necesariamente en el mundo microscópico, regido por la mecánica cuántica, cuyas leyes son reversibles. Y donde no existe un sentido de preferencia referente al flujo de los fenómenos.

El hecho de saber en qué punto se concreta la transición del escenario cuántico al escenario clásico y por qué esto sucede –o diciéndolo de otro modo, saber qué es lo que hace que la producción de entropía pase a predominar– constituye un importante tema de investigación de la ciencia actual. De allí el interés en estudiar los sistemas mesoscópicos, no tan pequeños como los átomos individuales, pero que aún exhiben comportamientos cuánticos claramente caracterizados.

Y un nuevo estudio experimental con la participación de científicos brasileños efectúa un importante aporte en tal sentido. Un artículo al respecto salió publicado recientemente en la revista Physical Review Letters.

“Lo que hicimos fue estudiar dos sistemas: un condensado de Bose-Einstein con 100 mil átomos, aprisionado dentro de una cavidad, y una cavidad optomecánica capaz de aprisionar la luz entre dos espejos”, declaró Gabriel Landi, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo, a Agência FAPESP.

Landi fue uno de los responsables del desarrollo de un modelo teórico capaz de relacionar la producción de entropía con magnitudes medibles en ambos experimentos. Esta investigación cuenta el apoyo de la FAPESP. El condensado de Bose-Einstein se estudió en la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich, en Suiza. Y la cavidad optomecánica en la Universidad Wien o de Viena, en Austria.

A menudo caracterizado como “el quinto estado de la materia” (los cuatro primeros son el sólido, el líquido, el gaseoso y el plasma), el condensado de Bose-Einstein se obtiene cuando se enfría la temperatura de un conjunto de átomos casi hasta el cero absoluto.

En tales condiciones, las partículas dejan de contar con energía libre como para moverse unas con relación a las otras, y algunas pasan a compartir los mismos estados cuánticos, volviéndose así indistinguibles. De este modo,     cumplen con la llamada estadística de Bose-Einstein, aplicada a partículas idénticas. En el condensado, las partículas se comportan como si fuesen una sola.

En tanto, la cavidad optomecánica es básicamente una trampa para capturar la luz. La peculiaridad en este caso residió en que uno de los espejos que la compusieron estaba constituido por una membrana nanométrica capaz de vibrar mecánicamente. Por ende, el experimento consistió en la interacción de la luz con vibraciones mecánicas. En ambos sistemas había dos depósitos, un caliente y uno frío, de manera tal que podía fluir calor de uno hacia otro.

“Ambas situaciones exhibieron firmas de algo irreversible y, como consecuencia de ello, mostraron un aumento de la entropía. Es más: mostraron la irreversibilidad como consecuencia de efectos cuánticos. Los experimentos permitieron diferenciar claramente los efectos clásicos de las fluctuaciones cuánticas”, dijo Landi.

La gran dificultad de esta línea de investigación reside en que la producción de entropía no constituye algo medible directamente. Por eso antes de organizar los experimentos hubo que relacionar teóricamente la producción de entropía con otras magnitudes que indican irreversibilidad, y que pudiesen medirse efectivamente. La magnitud considerada, tanto en un caso como en el otro, fue el escape de fotones de las cavidades. Se utilizaron ex profeso espejos semitransparentes, de modo tal que los fotones pudiesen escaparse.

Se midieron entonces las cantidades promedio de fotones en el interior de las cavidades. Y también las variaciones mecánicas en el caso del espejo vibrátil.

“En ambos experimentos, las fluctuaciones cuánticas contribuyeron para aumentar la irreversibilidad. Fue un descubrimiento contraintuitivo. Y no necesariamente es algo que pueda generalizarse. Sucedió en estos dos casos, pero puede no valer para otros. Yo vislumbro estos dos trabajos como un primer esfuerzo tendiente a repensar la entropía en este tipo de plataformas. Abren espacio para la realización de nuevos experimentos con una cantidad menor de átomos de rubidio o con cavidades optomecánicas aún menores, por ejemplo”, dijo Landi.

La pérdida de información y el desorden

En un estudio teórico reciente, Landi había demostrado de qué manera las fluctuaciones clásicas (la vibración de los átomos y las moléculas, que produce energía térmica) y las fluctuaciones cuánticas podrían ocurrir al mismo tiempo y no necesariamente contribuyen para arribar a un mismo resultado. Este trabajo fue el precursor de los dos nuevos experimentos.

“Tanto el condensado como el aprisionamiento de la luz en una cavidad son fenómenos mesoscópicos. Pero al contrario que otros fenómenos mesoscópicos, las propiedades cuánticas se preservaron perfectamente en éste mediante el blindaje con relación al ambiente. De este modo se generaron situaciones controladas en las cuales pudieron observarse claramente las competencias entre lo clásico y lo cuántico en la producción de entropía”, dijo el investigador.

“La entropía admite diversas interpretaciones. Si pensamos en términos de información, su aumento significa pérdida de información. En tanto, desde el punto de vista termodinámico, la entropía mide el grado de desorden. Cuanto mayor es éste, más desordenado está el sistema. Al combinar estas interpretaciones podemos tener una perspectiva más vasta del fenómeno”, dijo.

Tanto el condensado de Bose-Einstein como la cavidad optomecánica componen aquello a lo que se le ha dado el nombre de “plataformas para la simulación cuántica”.

Dichas plataformas permiten sortear un gran obstáculo para el avance del conocimiento. Sucede que existen varios sistemas importantes en la naturaleza con respecto a los cuales, si bien hay modelos descriptivos consistentes, resulta imposible formular previsiones, debido a la dificultad inherente a los cálculos.

El ejemplo más famoso es el de la superconductividad a temperaturas más altas que las de experimentos realizados anteriormente. Hasta ahora sigue sin entenderse por qué determinados materiales pueden exhibir un comportamiento superconductor a la temperatura del nitrógeno líquido (-196°C aproximadamente).

La idea con las nuevas plataformas consiste en contar con dispositivos cuánticos que puedan simular esos sistemas. Pero simularlos en forma controlada, eliminando todos los factores de complicación, y enfocándose únicamente en los fenómenos más sencillos de interés.

“Esta idea de simulación cuántica es algo que ha crecido mucho durante los últimos años, con simulaciones que van desde moléculas importantes en medicina hasta estructuras importantes en cosmología”, dijo Landi.

Puede leerse el artículo intitulado Experimental Determination of Irreversible Entropy Production in out-of-Equilibrium Mesoscopic Quantum Systems (doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.160604) de M. Brunelli, L. Fusco, R. Landig, W. Wieczorek, J. Hoelscher-Obermaier, G. Texeira Landi, F. L. Semião, A. Ferraro, N. Kiesel, T. Donner, G. de Chiara y M. Paternostro, en el siguiente enlace: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.160604 .