A pesar del título de esta reseña, no tiene que ver con alguna obra de García Márquez o alguna otra obra literaria. Hoy me gustaría hablarles de un demonio muy particular y divertido, uno que ha desvelado a los científicos y los ha hecho soñar por más de cien años: se trata del “demonio de Maxwell”.

Figura 1: En esta figura se puede apreciar el sistema total compuesto por el transistor y el punto cuántico (demonio de Maxwell),que actua como detector [1]

El demonio de Maxwell surge en el contexto de la termodinámica: una teoría fenomenológica que establece límites de eficiencia de los procesos y la famosa “flecha del tiempo”. Aunque se basa en tres leyes fundamentales, a mi parecer, la más apasionante de todas es la segunda ley. En pocas palabras, la segunda ley de la termodinámica se encarga de explicar porqué cuando mezclamos la leche con el café cada mañana, existe una probabilidad muy baja de que haya una separación natural de estos ingredientes. Envejecemos y morimos porque la dirección de los procesos naturales debe conducir al máximo desorden del sistema.

El demonio de Maxwell es un mecanismo de intervención inteligente sobre los sistemas termodinámicos cuya función principal es causar la violación aparente de la segunda ley, sin violar la conservación de la energía [1]. Normalmente, cuando existe contacto térmico entre dos sistemas con temperaturas diferentes, existe un flujo de calor desde el cuerpo más “caliente” hasta el cuerpo más “frio”.

Si tal travieso demonio existiese, sería capaz invertir el flujo de calor sin costo de energía. Sin embargo, para tristeza de muchos, y alegría de otros, ahora es claro que al considerar el efecto del demonio de Maxwell sobre el sistema, hay que considerarlo como parte del mismo, de tal forma que el sistema total sigue satisfaciendo la segunda ley.

Aunque la termodinámica se originó en la observación de procesos que ocurren en sistemas macroscópicos, no es obvio que gobierne la dinámica de entidades microscópicas, y más aún, cuando tales sistemas están lejos del equilibrio.

Recientemente, Philipp Strasberg, uno de mis colegas en el grupo del profesor Tobias Brandes en la Universidad Técnica de Berlín, ha desarrollado una implementación del demonio de Maxwell usando un transistor de un electrón acoplado a un punto cuántico que actua como detector [2]. En contraste a los transistores con los que estamos familiarizados, un transistor de un electrón es un dispositivo que utiliza las leyes de la mecánica cuántica para permitir el tunelamiento de un único electrón a través de un punto cuántico ubicado entre el emisor y el colector, generando así una corriente eléctrica producida por un único electrón en cada paso de tiempo (la mecánica cuántica esencial aquí, porque para pasar del emisor al colector, el electrón no es transportado a través de un conductor, más bien, tunela, y es dispersado por el punto cuántico). En la implementación propuesta por Philipp, el demonio de Maxwell es un punto cuántico que es capaz de detectar el estado del transistor y controlar el flujo de la corriente.

Es la primera vez que se ha desarrollado una descripción enteramente cuántica del sistema total (es decir, incluyendo al demonio), Phillipp logró mostrar que aunque el demonio no modifica la energía del transistor, produce un flujo de información que causa una violación aparente de la segunda ley. Tristemente, este trabajo también logro demostrar un hecho inevitable: un demonio de Maxwell infinitamente rápido y preciso tiende a derretirse. Hasta ahora nadie ha logrado violar las leyes de la termodinámica.
A pesar de los avances en este campo, hay muchas preguntas abiertas que están esperando repuesta.

[1] H. Leff, and A. F. Rex, Maxwell Demon’s 2: Entropy, Classical and Quantum Information, Computing (CRC press, 2002)
[2] P. Strasberg, G. Schaller, T. Brandes, and M. Esposito, Phys. Rev. Lett. 110, 040601 (2013) o arXiv:1210.5661v2

Por Víctor Manuel Bastidas Valencia, Doctor en Fisica de la Universidad Técnica de Berlín. Especial para www.todosesupo.com

Víctor Manuel Bastidas Valencia: Yumbeño nacido el 9 de marzo de 1983, egresado del Colegio Cooperativo Técnico Industrial José Antonio Galán. Obtuvo el título de Físico y maestría en Física en Univalle. En enero del presente año terminó sus estudios de doctorado en la Universidad Técnica de Berlín. En la actualidad realiza estudios de Post-doctorado en esa universidad.

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