Com el principi d'equivalència d'Einstein s'estén al món quàntic

La Dra. Magdalena Zych del Centre d'Excel·lència d'Enginyeria de Sistemes Quàntics de l'ARC, i el professor Caslav Brukner de la Universitat de Viena, han treballat per descobrir si els objectes quàntics interactuen amb la gravetat només a través de l'espai-temps corbat.

El principi d'equivalència d'Einstein sosté que la massa total inercial i gravitacional de qualsevol objecte és equivalent, és a dir, tots els cossos cauen de la mateixa manera quan estan subjectes a la gravetat.

Els físics han estat debatent si el principi s'aplica a les partícules quàntiques, per tal de traduir-lo al món quàntic, es necessita esbrinar com les partícules quàntiques interactuen amb la gravetat. Per això ha calgut mirar la massa. La massa és la quantitat dinàmica que pot tenir valors diferents i, en física quàntica, la massa d'una partícula pot estar en una "superposició" quàntica de dos valors diferents.

Segons la famosa ecuación E = MC2, la massa de qualsevol objecte es manté unida per l’energia. En un estat únic de la física quàntica, l'energia i la massa poden existir en una «superposició quàntica», com si es tractés de dos valors diferents al mateix temps. Per això s’ha hagut de veure com es comporten partícules en aquest estat quantitatic de la massa per entendre com una partícula quàntica veu la gravetat en general.

Aquesta investigació va trobar que per a les partícules quàntiques en superposicions quàntiques de diferents masses, el principi implica restriccions addicionals que no estan presents per a les partícules clàssiques (això no s'havia descobert anteriorment). Significa que estudis previs que van intentar traduir el principi a la física quàntica eren incomplets perquè es van centrar en les trajectòries de les partícules però es va descuidar la massa.

L'estudi obre una porta a nous experiments que són necessaris per provar si les partícules quàntiques obeeixen a les restriccions addicionals que s'han trobat.

Font: Universitat de Queensland

Fluir l'energia a contracorrent sense contradir les lleis de la física, a escala quàntica

En un sistema termodinàmic clàssic, el corrent de calor flueix del cos més calent al més fred, o l'electricitat del potencial més alt al més baix. En els sistemes quàntics passa el mateix, però aquest estat pot ser modificat, i el flux d'energia i partícules invertit si s'introdueix un observador quàntic en el sistema. Aquest és el principal resultat que ha obtingut el grup del professor Àngel Ros de la UPV / EHU (Espanya) i de l'Institut Max Planck PMSD, juntament amb col·laboradors del centre BCCMS de Bremen, del qual es fa ressò la revista Nature Quantum Materials.

En objectes macroscòpics, com podria ser un corrent d'aigua, el fet d'observar-lo corrent no influeix en el flux de l'aigua i, seguint les lleis de la termodinàmica clàssica, aquest flux discorrerà de la part alta a la part més baixa d'aquest sistema. El mateix passa en els fluxos de temperatura, on el corrent va del cos més calent al més fred, o en els sistemes elèctrics. No obstant això, en dispositius quàntics, "el procés d'observació, modifica l'estat del sistema, i això fa que sigui més propens a fer fluir el corrent en una direcció o una altra", explica Àngel Ros, catedràtic de la UPV / EHU, líder del grup de recerca Nano-Bio Spectroscopy Group de la UPV / EHU i director del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter d'Hamburg.

Tal com subratlla Ros, això no suposa "una violació de cap teorema fonamental de la física, ni es crea energia del no-res. El que passa és que el fet de mirar, d'introduir un observador en el sistema, exerceix com d'obstacle, com si en una canonada en la qual està fluint l'aigua tanquessis el canal. Òbviament, si es comença a acumular la càrrega, al final acaba anant en l'altra direcció. És a dir, l'observador projecta l'estat del sistema a un estat que transmet el corrent o l'energia en direccions oposades".

Ros recorda la sorpresa que va suposar descobrir que la introducció de l'observador quàntic generava un canvi dels sentits del corrent i de la transferència de l'energia: "En un primer moment vam pensar que es tractava d'un error. Esperàvem trobar canvis, i pensàvem que es podria aturar el transport, però no que hi hauria un canvi complet del flux".
Aquests canvis en la direcció del corrent es poden fer, a més, de forma controlada. Depenent del lloc on s'introdueix l'observador, s'aconsegueix canviar el flux, però hi ha "determinades zones en el dispositiu en què encara miris, no canvia la direcció", aclareix.
Aquest control de calor i corrent de partícules podria obrir la porta a diferents estratègies per dissenyar dispositius de transport quàntics amb control de direccionalitat de la injecció de corrents per a aplicacions en termoelectricitat, espintrònica, fotònica i detecció, entre d'altres. Però Àngel Ros veu llunyanes aquestes aplicacions, perquè troba limitacions per al disseny dels observadors: "Nosaltres hem treballat des d'un punt de vista teòric, on hem proposat un model senzill, i la teoria és fàcil de comprovar, perquè tots els fluxos d'energia i d'entropia es conserven. Una altra cosa seria fer aquest procés experimentalment. Tot i que el tipus de dispositiu que caldria dissenyar existeix, i seria factible fer-ho, en l'actualitat no existeix la possibilitat de fer-ho de manera controlada".

Davant d'aquesta situació, el grup de recerca està buscant altres idees similars, "altres mecanismes alternatius als observadors quàntics, que permetin aconseguir efectes similars i que siguin més realistes a l'hora de ser implementats experimentalment".
En aquest estudi, publicat a la revista Nature PJ Quantum Materials, hi han participat investigadors de l'MPSD (Institut Max Planck per l'Estructura i la Dinàmica de la Matèria) en CFEL (Center for Free-Electron Laser Science) d'Hamburg, juntament amb col·laboradors de la UPV / EHU i el Centre de Ciències Computacionals de Materials de Bremen (BCCMS).

Font: UPV / EHU