В термоэлектронном наноразмерном приборе потоки тепла и частиц зависят не только от градиентов температуры и электрического потенциала, но и от того, как квантовый наблюдатель контролирует когерентность прибора. Более того, в некоторых случаях эти потоки направлены против естественных градиентов. Работа физиков из Германии и Испании опубликована в журнале Quantum Materials.
В классической термодинамике процесс переноса тепла от более холодного тела к более горячему запрещен (второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса). Это утверждение основывается на предположении, что в равновесии макроскопическое тело характеризуется интенсивной (грубо говоря, постоянной по всему объему) величиной — температурой. Разумеется, в классической термодинамике наблюдение за процессом переноса тепла при контакте тел с разной температурой никак не влияет на его ход.
Однако для небольших объектов (характерный размер порядка нанометров) идеи термодинамики должны быть пересмотрены. Здесь начинают играть роль квантовые эффекты, когда наблюдатель в ходе измерения неизбежно нарушает когерентность внутри системы и изменяет ее отклик, даже если он воздействует на систему локально. В связи с этим могут возникать разные странные явления, например, квантовый эффект Зенона или интересные термодинамические эффекты. Пристальным изучением последних, собственно, занялись авторы данной статьи.
Для изучения явления ученые использовали следующую модель прибора, который хорошо описывается гамильтонианом в приближении сильно связанных электронов. Слева и справа находятся наборы из девяти атомов, связанные с тепловыми резервуарами при различных температурах и соединенные двумя одноатомными мостиками. Перенос энергии и частиц между резервуарами может происходить только через эти мостики и описывается основным кинетическим уравнением (standard master equation). Для простоты физики предполагали, что к системе не прикладывалось внешнее напряжение, а также что в ней находится только один свободный электрон, хотя результаты не изменились бы в случае большого числа невзаимодействующих частиц. По словам авторов статьи, прибор легко реализовать с помощью кремниевых гетероструктур с холодными атомами или графена.
Квантовый наблюдатель воздействует на систему, изменяя ее когерентность так же, как и в двухщелевом эксперименте. Предполагается, что наблюдатель находится в чистом квантовом состоянии, а не в состоянии термодинамического ансамбля, следовательно, с ним нельзя ассоциировать никакую температуру. Здесь ученые изучали, как изменяются токи тепла и частиц при воздействии наблюдателя на различные участки мостика между резервуарами.
В случае, когда наблюдения проводились ближе к более теплому резервуару, направление теплового потока совпадало с градиентом температур, хотя и усиливалось. В случае наблюдений, проводившихся ближе к холодному резервуару, поток тепла был направлен в обоих мостиках от холодного тела к горячему. Это кажется странным, однако ученые показали, что квантовый наблюдатель не добавляет в систему потока энтропии, а изменяет поток энергии путем прямого воздействия.
Также интересно, что электронный ток в первом случае направлен по часовой стрелке, а во втором — против. Это является следствием локализации электронного состояния, вызванной локальным наблюдением. Грубо говоря, наблюдатель просто выталкивает электрон в нужном направлении.
Кроме того, авторы статьи предложили практическое применение нового эффекта, смоделировав прибор, похожий на «трещотку Фейнмана» (про нее можно прочитать в «Фейнмановских лекциях по физике», том 4, глава 46). Для этого они сделали рассматриваемый прибор асимметричным, изменив уровни энергии на противоположных краях мостиков (на картинке это отображено сферами разных размеров). В такой системе сам по себе ток течет по часовой стрелке, однако при добавлении квантового наблюдателя он меняет направление на противоположное. Экспериментально такой прибор можно реализовать с помощью методов, разработанных для построения квантовых трещоток в графене, атомных ловушках или для молекулярных соединений.
Ранее мы писали, как адгезия нарушила школьный закон «сила трения пропорциональна нагрузке и не зависит от площади контакта».
Дмитрий Трунин
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.