Invierten el sentido del flujo de calor en un experimento

Es un estudio que expande la comprensión del segundo principio de la termodinámica, al aplicar correlaciones cuánticas para que el calor fluya de un medio frío a otro caliente sin aporte de energía externa

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El calor fluye desde los objetos calientes hacia los objetos fríos. Cuando un objeto caliente entra en contacto térmico con otro frío, ambos evolucionan hacia una configuración de equilibrio. El objeto caliente se enfría y el objeto frío se calienta. Éste es un fenómeno de la naturaleza constatado en experiencias diarias y cuya explicación se rige por el segundo principio de la termodinámica. De acuerdo con este principio, la entropía de cualquier sistema aislado tiende siempre a aumentar con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo. La entropía es la magnitud que describe el grado de indiferenciación de un sistema. Los sistemas aislados evolucionan espontáneamente hacia estados cada vez más indiferenciados.

En el marco de un experimento llevado a cabo por científicos del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) y de la Universidad Federal del ABC (UFABC), junto a colaboradores de otras instituciones de Brasil y de otros países, se demostró que las correlaciones cuánticas tienen efectos sobre el modo de distribución de la entropía entre las partes en contacto térmico, alterando así el sentido de la llamada “flecha termodinámica del tiempo”.

En otras palabras, el calor puede fluir espontáneamente desde el cuerpo frío hacia el cuerpo caliente sin necesidad de efectuarle un aporte energía al proceso, tal como sucede en un refrigerador común. Y un artículo con la descripción del mencionado experimento y consideraciones teóricas al respecto ha salido publicado en Nature Communications.

El primer autor del referido artículo, Kaonan Micadei, se doctoró en la UFABC bajo la dirección de tesis del profesor Roberto Serra, y ahora está cursando su posdoctorado en Alemania. Serra, quien también suscribe el artículo, contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica. Asimismo, la investigación recibió el aporte de dos ayudas a la investigación concedidas a otro coautor del artículo, Gabriel Teixeira Landi, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP).

“Podemos pensar que las correlaciones constituyen información compartida entre distintos sistemas. En el mundo macroscópico, descrito por la Física clásica, el aporte de energía externa puede invertir el sentido del flujo de calor de un sistema, haciéndolo escurrirse desde el lado frío hacia el lado caliente. Estos es lo que sucede en un refrigerador común, por ejemplo”, declaró Serra a Agência FAPESP.

“Es posible decir que en nuestro experimento nanoscópico las correlaciones cuánticas produjeron un efecto análogo al de la energía. El sentido del flujo se invirtió sin que esto haya constituido una violación del segundo principio de la termodinámica. Al contrario: al incorporar elementos de la teoría de la información a la descripción del transporte de calor, encontramos una forma generalizada del segundo principio y develamos el rol de las correlaciones cuánticas en el proceso”, dijo. 

Este experimento se realizó con una muestra de moléculas de cloroformo (un átomo de hidrógeno, uno de carbono y tres de cloro) marcada con el isótopo 13 del carbono. A esa muestra se la diluyó en una solución y se la estudió con un aparato de resonancia magnética nuclear, similar a los que se emplean en los hospitales para realizar estudios por imágenes, pero con un campo magnético mucho más intenso.

“Investigamos los cambios en la temperatura de los espines de los núcleos de hidrógeno y de carbono. Los átomos de cloro no desempeñaron un rol relevante en el experimento. Mediante pulsos de radiofrecuencia, pusimos los espines de cada uno de los núcleos de hidrógeno y de carbono a temperaturas distintas: uno más frío y otro más caliente. Las diferencias de temperatura fueron sumamente pequeñas, del orden de las decenas de milmillonésimas de kelvin. Pero las técnicas modernas permiten manipular y medir sistemas cuánticos con suma precisión. En este caso, lo que se midió fueron oscilaciones de radiofrecuencia producidas por los núcleos atómicos”, dijo Serra.

Los investigadores exploraron dos situaciones: una en la cual ambos núcleos (de hidrógeno y carbono) iniciaban el proceso descorrelacionados y otra en las cual ambos estaban correlacionados en forma cuántica.

“En el primer caso, el de los núcleos descorrelacionados, observamos el calor fluyendo en el sentido usual, del lado caliente al frío, hasta que ambos núcleos quedaron a la misma temperatura. En el segundo caso, con los dos núcleos inicialmente correlacionados, observamos que el calor fluía en el sentido inverso, de lo frío a lo caliente. Este efecto duró algunas milésimas de segundo hasta que la correlación inicial se consumió”, dijo.

Lo más interesante en este resultado es que permite pensar en un proceso de refrigeración cuántico en el cual el aporte de energía externa (que es el recurso que se emplea en las heladeras y en los aparatos de aire acondicionado para enfriar un determinado ambiente) se reemplace por correlaciones, esto es, por intercambios de información entre objetos.

El demonio de Maxwell

La idea de que la información podría utilizarse para invertir el sentido del flujo de calor –es decir, para generar una disminución local de la entropía– surgió en la Física clásica de finales del siglo XIX, en una época en que ni siquiera existía una teoría de la información.

Esto sucedió en el marco de un experimento mental propuesto por James Clerk Maxwell (1831-1879), autor entre otras cosas de las famosas ecuaciones del electromagnetismo clásico. En dicho experimento mental, que produjo muchas controversias en esa época, el gran físico escocés afirmó que, si existiese un ser capaz de conocer la velocidad individual de cada molécula de un gas y actuar sobre ella a escala microscópica, podría separar esas moléculas en dos recipientes. De un lado pondría a las moléculas más veloces, creando un compartimento caliente. Del otro, en tanto, podría a las moléculas más lentas, creando así un compartimento frío. De esta forma, el gas, inicialmente en equilibrio térmico a causa de la mezcla de moléculas rápidas y lentas, evolucionaría hacia un estado diferenciado y, por ende, de menor entropía.

La idea de Maxwell con este experimento mental consistía en probar que el segundo principio de la termodinámica tenía un carácter meramente estadístico.

“El ser que postuló, capaz de intervenir en el mundo material a escala molecular o atómica, se volvió conocido como ‘el demonio de Maxwell’. Era una figura ficticia que Maxwell inventó para plantear su punto de vista. Pero en la actualidad somos efectivamente capaces de actuar a esas escalas e incluso a escalas menores, modificando las expectativas usuales”, dijo Serra.

El experimento que realizaron Serra y sus colaboradores, que motivó el artículo ahora publicado, constituye una prueba de ello. El estudio no reprodujo el experimento mental de Maxwell, por supuesto. Pero produjo un resultado análogo.

“Cuando hablamos de información, no nos referimos a algo imponderable. La información requiere de un sustrato físico, de una memoria. En la actualidad, para borrar un bit de memoria de una memoria USB se debe gastar 10 mil veces una cantidad mínima de energía constituida por la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura absoluta. A ese mínimo de energía necesaria para borrar información se lo conoce como principio de Landauer y, por ello, cuando se borra información se genera calor. El calentamiento es lo que más descarga la batería de las notebooks”, dijo Serra.

Lo que los científicos observaron fue que la información presente en las correlaciones cuánticas puede utilizarse para producir una tarea que, en este caso, consistió en transferir calor de un objeto más frío a otro más caliente, sin consumo de energía externa.

“Podemos cuantificar la correlación de dos sistemas por medio de bits. Las conexiones entre la mecánica cuántica y la teoría de la información están creando en la actualidad lo que la comunidad científica ha denominado como ciencia de la información cuántica. Desde el punto de vista práctico, el efecto estudiado podría emplearse para enfriar parte de un procesador de una computadora cuántica en el futuro.”

Puede accederse a la versión completa del artículo intitulado Reversing the direction of heat flow using quantum correlations, de Kaonan Micadei, John P. S. Peterson, Alexandre M. Souza, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira, Gabriel T. Landi, Tiago B. Batalhão, Roberto M. Serra y Eric Lutz, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41467-019-10333-7.