Un interruptor atómico controlado por simetría

Recientemente he publicado un trabajo en el que llevaba bastante trabajando y que he de reconocer que me ha gustado mucho. El título en inglés es An atomic symmetry-controlled thermal switch y ha sido publicado en la revista Scientific Reports, que es de Open-Acces por lo que podéis ver el artículo sin subscripción. El trabajo lo realicé con mi supervisora en Singapur Elica Kyoseva. 

La idea original venía de otro artículo que hice unos años atrás en Physical Review B, Symmetry and the thermodynamics of currents in open quantum systems. En ese artículo estudiamos un caso más general. Simplemente tenemos un sistema cuántico (átomos, espines, moléculas o lo que sea) conectado a otros dos sistemas. Estos otros sistemas son muy grandes y tienen distinta temperatura. Eso hace que por nuestro sistema cuántico comience a correr una corriente de energía. Esto es algo análogo a poner un extremo de una barra de hierro al rojo vivo y la otra meterla en hielo, evidentemente una energía irá del extremo más caliente al más frío. 

En el artículo de Physical review estudiamos qué ocurre cuando el sistema cuántico que transporta la energía tiene una cierta simetría. Por simetría entendemos que se pueden aplicar ciertas transformaciones al sistema sin que nada cambie. Veamos un ejemplo clásico de simetría.  Está claro que si rotamos el siguiente dibujo 45º (o un múltiplo) en el sentido de las agujas del reloj el dibujo seguirá siendo el mismo. Eso es lo que se entiende por simetría en el sentido clásico. 

Las simetrías juegan un papel muy importante en física. El resultado más importante al respecto es el Teorema de Noether, que nos dice que si un sistema tiene una determinada simetría también hay ciertas cantidades que se tienen que conservar. Nuestro resultado fue mucho más modesto, pero nos permitió demostrar que la corriente de los sistemas depende fuertemente de su simetría interna [1]. Este resultado nos llevó a la siguiente idea: Si la corriente de un sistema depende de su simetría interna, ¿podemos usar la simetría para controlar la corriente? Controlar una corriente es algo muy interesante, ya que puede usarse para construir un interruptor o un transistor. 

Ese fue el punto de partida de la investigación del nuevo paper. En el primero trabajábamos con sistemas generales, así que decidí que sería interesante demostrar que podíamos hacer  un interruptor microscópico con sólo controlar la simetría. Mi supervisora en Singapur, Elica Kyoseva, es una experta en cavidades cuánticas, por lo que decidimos que ese sería un buen sistema para experimentar. Las cavidades cuánticas son sistemas de espejos en los que se pueden atrapar fotones. Es posible además acoplarlas de modo que los fotones salten de una a otra creando una corriente. También se pueden usar para atrapar átomos, o muelles microscópicos, y hacerlos interaccionar con los átomos. 

Después de mucho pensar realizamos un diseño que se basa en tres cavidades unidas de manera lineal. En la cavidad del centro se encuentran dos átomos, y las cavidades de los extremos se conectan a dos fuentes de fotones. 

Las fuentes transmiten fotones a las cavidades y esto crea una corriente a través del sistema. Ahora bien, los fotones interactúan también con los átomos. Lo interesante es que los átomos tienen una simetría interna que determina cómo es esta interacción. Esta simetría se puede controlar con un láser que interacciona con los átomos. entonces con el láser controlamos los átomos, y al controlar los átomos controlamos la corriente que pasa de la fuente caliente a la fuente fría. 

Evidentemente, el artículo incluye muchos detalles técnicos, pero esta es la idea general. A medida que reducimos los tamaños de los dispositivos electrónicos nos introducimos en el mundo cuántico y esperamos que este resultado nos ayude a comprender nuevas maneras de diseñar máquinas microscópicas.

 Notas: 

[1] Las simetrías en física cuántica no son tan fácilmente visuables, me temo.