Quando un pezzo di materiale conduttore viene riscaldato a una delle sue estremità, una differenza di tensione può accumularsi attraverso il campione, che a sua volta può essere convertito in corrente. Questo è il cosiddetto effetto Seebeck, la pietra angolare degli effetti termoelettrici. In particolare, l'effetto fornisce un percorso per creare lavoro da una differenza di temperatura. Tali motori termoelettrici non hanno alcuna parte mobile e sono quindi convenienti fonti di energia in varie applicazioni, inclusa la propulsione del rover Mars Perseverance della NASA. L'effetto Seebeck è interessante per la fisica fondamentale, pure, poiché l'ampiezza e il segno della corrente termoelettrica indotta è caratteristica del materiale e indica come si accoppiano entropia e correnti di carica. Scrivendo in Revisione fisica X , il gruppo del Prof. Tilman Esslinger presso il Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo riferisce ora sull'inversione controllata di tale corrente modificando la forza di interazione tra i costituenti di un simulatore quantistico fatto di atomi estremamente freddi intrappolati in campi laser sagomati. La capacità di indurre tale inversione significa che il sistema può essere trasformato da un motore termoelettrico in un dispositivo di raffreddamento.

Da che parte per favore?

L'esperimento, condotto dal dottorando Samuel Häusler e dai collaboratori del gruppo Esslinger, inizia con una nuvola di atomi di litio fermionici che vengono raffreddati a temperature sufficientemente basse da consentire agli effetti quantistici di determinare il comportamento dell'insieme. La nuvola viene quindi separata in due metà indipendenti di uguale numero di atomi. Uno di loro è riscaldato, prima che i due serbatoi siano collegati da un canale bidimensionale. Lo stato di equilibrio che si sviluppa è quello atteso:dopo un tempo sufficientemente lungo, le due metà contengono numeri atomici uguali a temperature uguali. Più interessante è il comportamento transitorio. Durante il processo di equilibrazione, il numero di atomi in ciascun serbatoio cambia, con gli atomi che rifluiscono e fluiscono tra di loro. In quale direzione e con quale ampiezza ciò avviene dipende dalle proprietà termoelettriche del sistema.

Grazie allo squisito controllo sul sistema, i ricercatori sono stati in grado di misurare i comportamenti transitori per diverse forze di interazione e densità atomiche all'interno del canale e li hanno confrontati con un semplice modello. A differenza dei sistemi a stato solido, dove la maggior parte delle proprietà termoelettriche può essere misurata in modo semplice, esperimenti ben definiti, in queste piccole nuvole di atomi i parametri sono dedotti da grandezze fondamentali come la densità dell'atomo. Trovare una procedura che estrae correttamente le quantità termoelettriche su un'ampia gamma di parametri è stato un punto chiave del lavoro.

Il team ha scoperto che la direzione attuale deriva da una competizione tra due effetti (vedi figura). Da un lato (a sinistra), le proprietà termodinamiche dei serbatoi favoriscono l'aumento del numero di atomi nel serbatoio caldo, equilibrare i potenziali chimici delle due metà. D'altra parte (a destra), le proprietà del canale rendono tipicamente il trasporto di caldo, particelle energetiche più facili, perché hanno un gran numero di possibili percorsi (o, modi) a loro disposizione, portando ad un aumento del numero di atomi nel serbatoio freddo.

Un regolatore di traffico superfluido

Con un gas non interagente, è possibile calcolare la tendenza dominante tra i due effetti in competizione una volta nota e presa in considerazione la forma precisa della nuvola atomica. Nel sistema di Häusler et al. questo può essere fatto molto accuratamente. Sia nel calcolo che nelle misurazioni, la corrente atomica iniziale scorre dal serbatoio caldo a quello freddo ed è più forte per basse densità atomiche nel canale. Quando le interazioni sono sintonizzate sul cosiddetto regime unitario, il comportamento del sistema diventa notevolmente più difficile da prevedere. Il calcolo diventa intrattabile senza approssimazioni ad ampio raggio, a causa delle forti correlazioni che si formano nel gas.

In questo regime, il dispositivo di simulazione quantistica dei ricercatori dell'ETH ha mostrato che per una temperatura media sufficientemente alta e una bassa densità di atomi nel canale, la corrente scorre anche dal serbatoio caldo a quello freddo. Però, può essere invertito quando la densità del canale viene aumentata utilizzando un potenziale di gate attraente. Al di sopra di una certa soglia di densità, gli atomi nel canale subiscono una transizione di fase in cui formano coppie che mostrano un comportamento superfluido. Questa regione superfluida nel canale limita il trasporto di spaiati, particelle energetiche, favorendo il trasporto dal serbatoio freddo a quello caldo e quindi l'inversione della corrente termoelettrica.

Verso materiali termoelettrici migliori grazie alle interazioni

Comprendere le proprietà della materia attraverso la misurazione termoelettrica migliora la comprensione fondamentale dei sistemi quantistici interagenti. Altrettanto importante è identificare nuovi modi per progettare materiali termoelettrici ad alte prestazioni che potrebbero trasformare in modo efficiente piccole differenze di calore in lavoro o, se utilizzato in modalità inversa, fungere da dispositivo di raffreddamento (noto come dispositivo di raffreddamento Peltier).

L'efficienza di un materiale termoelettrico è caratterizzata dalla figura di merito termoelettrica. Häusler et al. hanno misurato un forte aumento del valore di questa cifra quando si avviano le interazioni. Sebbene questo miglioramento non possa essere tradotto direttamente nella scienza dei materiali, questa eccellente capacità di raffreddamento potrebbe già essere utilizzata per raggiungere temperature più basse per i gas atomici, che a sua volta potrebbe consentire un'ampia gamma di nuovi esperimenti fondamentali nella scienza quantistica.