Oficina de Vinculación

Artículo de la Coordinación de Óptica en Physical Review E

• Manipulación del flujo de calor usando asimetrías fundamentales

Utilizando modelos teóricos de la óptica cuántica, en la Coordinación de Óptica del INAOE se investiga el diseño de diodos térmicos o diodos de calor que sirven como puentes que conectan un sistema caliente con uno frío. La estudiante de doctorado Stephania Palafox y su asesor el Dr. Ricardo Ancheyta lideraron recientemente la publicación de un artículo científico en la revista Physical Review E, en el que describen a un nivel fundamental las condiciones necesarias para que el fenómeno de la rectificación térmica pueda llevarse a cabo. Un rectificador de calor es el equivalente térmico de un diodo eléctrico y permite que la corriente de calor, en lugar de la corriente eléctrica, fluya en una dirección preferencial. Podemos pensar que en dicho rectificador el flujo de calor se comporta de manera similar al tráfico vehicular de ciertas avenidas y calles, donde los automóviles están obligados a circular en un sentido y no en ambos.

Dr. Ricardo Ancheyta y M. C. Stephania Palafox. Foto: archivo INAOE.

El objetivo más ambicioso de la caloritrónica o también conocida como termotrónica en analogía a la electrónica, es poder controlar a voluntad las corrientes de calor generadas en dispositivos de tamaño realmente pequeño. Sabemos que las corrientes eléctricas que circulan en nuestros electrodomésticos y dispositivos personales, como computadoras o celulares están hechas de partículas que poseen carga eléctrica llamadas electrones y que pueden interaccionar con campos electromagnéticos. Solo a través de un entendimiento profundo de la interacción entre los electrones y los campos electromagnéticos es que el ser humano ha llegado a manipular la corriente eléctrica con un enorme grado de control. Desafortunadamente, la mayoría de las corrientes o flujos de calor están hechas de partículas sin carga eléctrica, como los fonónes (ondas de sonido cuantizadas) o fotones (partículas de luz). Esto significa que no podemos usar las mismas técnicas de la electrónica moderna para manipular las corrientes de calor. Es pues todo un reto diseñar diodos y transistores térmicos que operen con el mismo grado de precisión que sus contrapartes eléctricas. Mas aún, el rol o influencia que los efectos cuánticos pueden llegar a tener sobre las corrientes de calor no se ha entendido del todo.

En el universo hay dos tipos de partículas, bosones y fermiones. Por ejemplo, los fotones son bosones y los electrones fermiones. Para fines prácticos la diferencia entre estas es que a los bosones les gusta estar juntos y a los fermiones separados. Esto significa que al mezclaras tendremos una asimetría estadística. En el artículo científico de la coordinación de óptica, que es en colaboración con investigadores de Turquía, se investiga de manera exhaustiva cuál es el impacto que tiene esta asimetría cuando las partículas son usadas para transportar energía térmica, así como sacar provecho de dicha asimetría en el diseño de diodos de calor. Los autores muestran que, además de las asimetrías estadísticas, existen asimetrías provenientes de la coherencia cuántica de las partículas atómicas y que son capaces de inducir rectificación de calor en casos donde sería imposible debido a la falta de asimetría estadística. Los autores buscan extender sus resultados al análisis de transistores térmicos cuánticos.

Como reflexión final, pensemos cómo es que la manipulación de la corriente eléctrica revoluciona constantemente nuestro estilo de vida. Sin embargo, en nuestro día a día, lo que comúnmente percibimos con nuestros sentidos son fenómenos de transferencia de calor y no tanto de fenómenos eléctricos. Imaginen cómo sería nuestra vida si pudiéramos manipular las corrientes de calor al mismo nivel con el que ahora controlamos la corriente eléctrica.

El enlace al artículo de investigación “Heat transport and rectification via quantum statistical and coherence asymmetries” es el siguiente: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.054114

Imagen ilustrativa

Figura: Representación esquemática de un sistema cuántico individual en el centro que conecta un cuerpo caliente (rojo a la izquierda) con uno frío (azul a la derecha).