Ученые из МФТИ и ОИВТ РАН смогли описать природу термодинамических эффектов в невзаимных системах, где из-за неравновесного окружения эффективно нарушается третий Закон Ньютона — действие равно противодействию. Понимание этих процессов имеет важное значение для разработки метаматериалов, управляемых тепловых машин и нового типа сенсоров. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E.
Для объяснения термодинамических эффектов ученые использовали подход, изначально разработанный для описания открытых квантово-механических систем. В традиционной физике большинство систем описываются эрмитовыми операторами, что соответствует классическим законам сохранения энергии. Однако в невзаимных системах стандартные методы не работают, и здесь на помощь приходит так называемая неэрмитовая теория, позволяющая учитывать эффекты, возникающие из-за асимметричности взаимодействий.
«Мы проанализировали связь между неэрмитовостью матрицы переноса, связывающую тепловые потоки и температуры с характером невзаимности в системе связанных осцилляторов. В ходе работы мы установили условия, при которых возникают термодинамические эффекты, недоступные в классическом случае. В частности, мы выяснили, при каких параметрах невзаимные системы могут обеспечивать перенос тепла от более холодной области к более горячей, а также приводить к экспоненциальной локализации высоких температур на границе системы. Результаты работы могут быть использованы для создания микроскопических тепловых машин, а также нового класса сенсоров, основанных на неэрмитовом скин-эффекте», — рассказал соавтор исследования, научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН Даниил Колотинский.
Как отмечает один из авторов статьи, заведующий лабораторией неидеальной плазмы ОИВТ РАН и доцент МФТИ Алексей Тимофеев, идея исследования родилась после многолетних наблюдений за упорядоченными плазменно-пылевыми структурами. В этих системах пылевые частицы взаимодействуют друг с другом, с плазмой и с нейтральным газом, однако распределение кинетической энергии пылевой компоненты оказывается неравномерным.
«Мы обнаружили, что в неравновесной пылевой плазме могут формироваться нетривиальные распределения кинетической энергии пылевых частиц, которые наблюдаются даже при постоянной и однородной температуре окружающего газа. Данный факт выходит за рамки классических представлений о термодинамическом равновесии и теореме о равнораспределении энергии по степеням свободы. Более того, нам удалось зафиксировать перенос тепла от более холодной области к более горячей, что на первый взгляд противоречит второму началу термодинамики. Однако предложенная нами модель позволяет объяснить происхождение и особенности этого явления. Мы считаем, что полученные результаты могут быть применены в экспериментальных и теоретических исследованиях в таких областях, как метаматериалы, активная материя, пылевая плазма, коллоидные системы, стохастическая термодинамика и физика неэрмитовых систем», — прокомментировал исследование Алексей Тимофеев.
В ближайших планах исследователей — экспериментальная проверка разработанного теоретического подхода на плазменно-пылевых системах.
