Teoremas de Fluctuación Cuántica para entornos arbitrarios

La termodinámica, la rama de la física que estudia el calor, la temperatura y su relación con la energía y el trabajo, puede extenderse mucho más allá de los grandes sistemas macroscópicos que percibimos en nuestra vida cotidiana.  Comprender las fluctuaciones estocásticas en las propiedades termodinámicas -como el trabajo, el calor y la entropía- es esencial para estudiar la termodinámica de los sistemas microscópicos. Sin embargo, estas fluctuaciones resultan ser más que ruido aleatorio: su estadística está marcada por la simetría temporal-reversa de la dinámica subyacente, satisfaciendo una clase de relaciones universales llamadas "teoremas de fluctuación". Los teoremas de fluctuación han sido desarrollado para sistemas cuánticos, centrándose principalmente en sistemas acoplados a entornos en equilibrio térmico ideales.

Un equipo internacional de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.), la Universidad Complutense de Madrid (España) y el Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC, UIB-CSIC), ha publicado un estudio en Physical Review X en el que se ha centrado en aligerar esta restricción de entornos en equilibrio debido al tamaño finito efectivo de los baños térmicos reales y a la posibilidad de diseñar reservorios no-térmicos con propiedades cuánticas. Estos entornos generalizados proporcionan nuevas fuentes de energía libre y pueden allanar el camino para que los motores térmicos superen los límites tradicionales de rendimiento. En este estudio, demuestran la existencia de teoremas de fluctuación para una variedad de ambientes clásicos y cuánticos, y muestran que en algunas situaciones la entropía total puede descomponerse en dos contribuciones diferentes: las producciones de entropía adiabática y no adiabática (sin/con intercambio de calor en el sistema), que representan diferentes fuentes de irreversibilidad.

Estos resultados pueden tener profundas implicaciones para los estudios de pequeños dispositivos cuánticos que realizan tareas termodinámicas, como trabajos de extracción o refrigeración, y pueden ayudar a clarificar el papel de la "cuántica" en la termodinámica.

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