• Российские физики из МФТИ, ИТПЭ РАН и ВНИИА имени Н.Л. Духова теоретически доказали и смоделировали удивительное явление: временное охлаждение самого холодного объекта в сложной квантовой системе без использования внешнего холодильника.
• Этот парадоксальный процесс не нарушает второе начало термодинамики, но бросает вызов нашему интуитивному пониманию тепловых потоков.
• Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review A.
• Второе начало термодинамики гласит, что тепло самопроизвольно перетекает только в одном направлении: от горячего тела к холодному.
• Однако в квантовом мире, на уровне отдельных атомов и электронов, привычные правила начинают работать иначе.
• Российские ученые решили выяснить, какие возможности скрываются в более сложных системах, состоящих из трех и более резервуаров.
• Они поставили перед собой вопрос: может ли тепловой поток от самого холодного резервуара к самому горячему все-таки существовать, если другие резервуары будут определенным образом компенсировать этот «неправильный» процесс.
• Используя аппарат теории открытых квантовых систем и уравнения Линдблада, физики построили математическую модель, в которой центральная квантовая система была связана с несколькими фермионными резервуарами.
• В результате моделирования ученые продемонстрировали режим, в котором самый холодный резервуар в системе действительно начинает отдавать тепло и на время становится еще холоднее, а горячий резервуар, в свою очередь, нагревается.

«Классическая интуиция говорит нам, что тепло всегда течет от горячего к холодному. Но в квантовом мире, когда у вас есть несколько систем с разными температурами и, что ключевое, разными химическими потенциалами, картина усложняется. Наша работа показывает, что система может провернуть хитрый трюк: она как бы «занимает» энергию у потока частиц, управляемого разностью химических потенциалов, чтобы на время запустить «неправильный» поток тепла — от холодного тела к горячему. Это временное нарушение привычного порядка, которое в конечном итоге приводит систему к полному равновесию, но сам путь к этому равновесию оказывается нелинейным и полным сюрпризов».