Divulgación

La rápida evolución en la manipulación de sistemas pequeños a escalas por debajo de la micra ha estimulado el interés por la investigación en el campo de la termodinámica cuántica. El principal objetivo de esta disciplina es comprender los fundamentos de la termodinámica en sistemas cuánticos que se llevan fuera del equilibrio por medio de campos externos. La mayoría de trabajos publicados hasta ahora se centran en los campos estáticos y los efectos resultantes del transporte estacionario. Sin embargo, existe un interés creciente en el análisis de las propiedades termodinámicas de los conductores cuánticos en presencia de potenciales dependientes del tiempo. En este artículo de revisión se discute desde una perspectiva termodinámica investigaciones recientes sobre el calor y el trabajo no estacionarios en sistemas cuánticos, destacando cuestiones sin resolver y preguntas abiertas.

El desarrollo de dispositivos electrónicos cuánticos es un paradigma de los sistemas cuánticos abiertos. Por lo general, podemos identificar en estos sistemas un espacio finito en el que un pequeño número de electrones se encuentra confinado. Sin embargo, estas partículas no están aisladas. Están en contacto con cables, sustratos y el entorno electromagnético, que en la práctica constituyen focos térmicos macroscópicos.

En estos sistemas podemos distinguir dos tipos de procesos dependientes del tiempo. El primero de ellos está relacionado con el comportamiento transitorio después de una perturbación de no equilibrio puntual, donde el tema principal es comprender los procesos de relajación y termalización a medida que el sistema se acerca al equilibrio. El segundo es la respuesta a un forzamiento periódico. En este trabajo, nos centramos en este último proceso. Se presentan las ecuaciones exactas para la conversión dinámica de energía en un sistema cuántico en contacto con fuentes de conducción AC y terminales DC en los que se aplican voltajes eléctricos. Estas ecuaciones conducen a la definición inequívoca de la producción total de calor en el sistema completo que contiene el conductor central, los terminales y los contactos entre las diferentes partes. Estos resultados son independientes del método utilizado para evaluar las cantidades físicas involucradas. Se exponen la primera y la segunda ley de la termodinámica en el límite de frecuencias bajas. Finalmente, se comentan las dificultades de acceder experimentalmente de forma fiable al transporte de calor resuelto en tiempos.

Este artículo de revisión es relevante para diferentes sistemas: condensados de Bose-Einstein, resonadores nanoelectromecánicos, sistemas biológicos con luz y electrónica molecular. El estudio del transporte dinámico de energía en sistemas cuánticos será un campo muy fértil en los próximos años. El artículo puede encontrarse en el siguiente enlace http://www.mdpi.com/1099-4300/18/11