Teoremes de Fluctuació Quàntica per a entorns arbitraris

La termodinàmica, la branca de la física que estudia la calor, la temperatura i la seva relació amb l'energia i el treball, pot estendre's molt més allà dels grans sistemes macroscòpics que percebem en la nostra vida quotidiana. Comprendre les fluctuacions estocàstiques en les propietats termodinàmiques -com el treball, la calor i l'entropia- és essencial per estudiar la termodinàmica dels sistemes microscòpics. No obstant això, aquestes fluctuacions resulten ser més que soroll aleatori: la seva estadística està marcada per la simetria temporal-reversa de la dinàmica subjacent, satisfent una classe de relacions universals cridades "teoremes de fluctuació". Els teoremes de fluctuació s'han desenvolupat per a sistemes quàntics, centrant-se principalment en sistemes acoblats a entorns en equilibri tèrmic ideals.

Un equip internacional d'investigadors de l'Institut Tecnològic de Massachusetts (EUA), la Universitat Complutense de Madrid (Espanya) i l'Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos (IFISC, UIB-CSIC), ha publicat un estudi en Physical Review X en el qual s'ha centrat a alleugerir aquesta restricció d'entorns en equilibri degut a la grandària finita efectiva dels banys tèrmics reals i a la possibilitat de dissenyar reservoris no-tèrmics amb propietats quàntiques. Aquests entorns generalitzats proporcionen noves fonts d'energia lliure i poden aplanar el camí perquè els motors tèrmics superin els límits tradicionals de rendiment. En aquest estudi, demostren l'existència de teoremes de fluctuació per a una varietat d'ambients clàssics i quàntics, i mostren que en algunes situacions l'entropia total pot descompondre's en dues contribucions diferents: les produccions d'entropia adiabàtica i no adiabàtica (sense/amb intercanvi de calor en el sistema), que representen diferents fonts d'irreversibilitat.

Aquests resultats poden tenir profundes implicacions per als estudis de petits dispositius quàntics que realitzen tasques termodinàmiques, com a treballs d'extracció o refrigeració, i poden ajudar a aclarir el paper de la "quàntica" en la termodinàmica.

Gonzalo Manzano, Jordan M. Horowitz, and Juan M. R. Parrondo. Phys. Rev. X 8, 031037. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031037