Квантовый парадокс: как тепло может течь от холодного к горячему

Российские физики из МФТИ, Института теоретической и прикладной электродинамики РАН и ВНИИА им. Н. Л. Духова предсказали необычное квантовое явление. Им удалось показать на моделях, что самый холодный объект в системе может временно стать еще холоднее, отдавая тепло более горячим. И всё это — без внешнего холодильника и без нарушения второго начала термодинамики. Результаты опубликованы в Physical Review A.

В классической физике всё просто: тепло всегда течет только в одном направлении — от горячего к холодному. Благодаря этому остывает кофе в кружке, и именно этот закон задает «стрелу времени».Но на квантовом уровне правила усложняются. Здесь вступают в игру не только температура, но и особый параметр — химический потенциал. Его можно представить как «термодинамическое напряжение», которое заставляет электроны или другие частицы перетекать из одной области в другую.

Многорезервуарная система
Физики рассмотрели открытую квантовую систему, соединённую сразу с несколькими «резервуарами» — источниками и стоками частиц, у каждого из которых своя температура и химический потенциал. В такой системе законы перераспределения энергии работают куда сложнее, чем в простом случае «горячее ↔ холодное».
Используя уравнения Линдблада, учёные построили модель взаимодействия квантового объекта с несколькими фермионными резервуарами. Она позволила проследить за потоками тепла и частиц в динамике, а не только в конечном равновесии.
Моделирование показало: в определённом режиме самый холодный резервуар может отдавать тепло более горячим и временно остывать почти вдвое. Лишь позже система перестраивает внутренние потоки и приходит к общему равновесию.Более того, финальная равновесная температура всей системы оказывается выше любой из исходных — из-за вклада химических потенциалов.

Старший научный сотрудник МФТИ Евгений Андрианов объясняет: «В квантовом мире система может провернуть хитрый трюк: занять энергию у потока частиц, чтобы на время запустить “неправильное” течение тепла — от холодного к горячему. В итоге равновесие всё равно достигается, но сам путь к нему оказывается полон сюрпризов».
Открытие имеет не только теоретический интерес. Такие эффекты могут лечь в основу квантовых тепловых машин — наноразмерных холодильников, способных охлаждать части квантовых схем без затрат внешней энергии. Подобные механизмы могут стать ключом к эффективному тепловому менеджменту в квантовых компьютерах и наноэлектронике.

Учёные планируют дальше искать способы управлять этим эффектом и экспериментальные платформы, где его можно будет продемонстрировать.

Источник: Квантовый фокус: как заставить тепло течь от холодного к горячему, не нарушая законов физики — За науку