Effetto delle impurità sulla distribuzione di corrente nel limite di accoppiamento debole, con posizioni delle impurità contrassegnate da cerchi neri pieni. Le frecce rosse mostrano le correnti di bosoni e le frecce blu mostrano le correnti di fermioni. In tutte le trame, m =t , Th =t , Tc =0,01t , ω 0 =10t e μ =ω 0 −0,1t . Credito:Lettere di revisione fisica (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.120403
I fisici del Trinity College di Dublino e dell'Universidad Complutense di Madrid hanno fatto una scoperta particolare in cui l'energia si sposta da una regione più fredda a una più calda.
Descrivono come un effetto quantistico costringe la corrente che passa attraverso un pezzo di materia a fluire attorno ai suoi bordi e talvolta contro la tipica direzione del trasferimento di calore.
La nuova ricerca, appena pubblicata sulla rivista Physical Review Letters —mostra che la corrente controintuitiva è notevolmente robusta e nasce in una classe di materiali più ampia di quanto si credesse in precedenza.
Ciò semplifica l'osservazione negli esperimenti e potrebbe eventualmente ispirare nuovi metodi per controllare il flusso di energia attraverso strutture su nanoscala, che potrebbero avere applicazioni nella scienza dei materiali e nell'informatica tenendo conto di prestazioni e sostenibilità migliori.
Correnti di bordo e materiali topologici
Le forti correnti di spigolo si verificano tipicamente nei cosiddetti "materiali topologici", dal nome della disciplina matematica della topologia, che classifica forme e superfici in base alla facilità con cui possono essere deformate l'una nell'altra.
Ad esempio, un pallone da calcio può essere schiacciato a forma di pallone da rugby con una forza sufficiente (supponendo che non scoppi), quindi i matematici affermano che i due palloni hanno la stessa topologia. La topologia di una palla è chiamata "banale" perché è così semplice.
Un esempio di topologia non banale è una ciambella, che non può essere deformata in una palla senza strapparla a causa del buco nel mezzo. Tazze da caffè e kettlebell hanno la stessa topologia di una ciambella (a causa del foro attraverso il loro manico), il che significa che tutte e tre le forme possono essere tutte deformate continuamente l'una nell'altra senza strappare o incollare parti insieme.
All'interno di un materiale, un elettrone può avere molte energie diverse a seconda della sua velocità e direzione del movimento. Questo paesaggio di energie possibili forma un'ipotetica superficie la cui topologia può essere banale o non banale, come una palla, una ciambella, o anche forme più complesse.
L'effetto appena descritto
"L'esistenza di correnti marginali in materiali topologicamente non banali è nota e compresa da decenni", afferma Mark Mitchison, assistente professore alla Trinity's School of Physics, autore principale dello studio e PI del gruppo ToCQS al Trinity. "Ma non ci aspettavamo di vedere forti correnti marginali apparire anche in sistemi topologicamente banali."
Il Prof. Mitchison e i suoi colleghi di Madrid, i Prof. Ángel Rivas e Miguel-Ángel Martin Delgado, hanno dimostrato che ciò può accadere se il sistema è soggetto a un gradiente di temperatura, ad es. se un'estremità del sistema è più calda dell'altra.
Le correnti di bordo circolanti non sono in gran parte influenzate da difetti e, controintuitivamente, trasportano energia contro il gradiente di temperatura in alcuni punti. Ma che dire della seconda legge della termodinamica? Questo non impedisce all'energia di fluire dal freddo al caldo?
"Il trasferimento netto complessivo di calore è sempre dal serbatoio caldo a quello freddo. La seconda legge della termodinamica non viene mai violata", chiarisce il Prof. Mitchison.
"Ma localmente, da un lato, la corrente scorre nell'altra direzione, quindi un essere che vive su quella superficie osserverebbe una fisica molto strana! La corrente scorrerebbe nel modo sbagliato dalla loro prospettiva, quasi come guardare un film al contrario".
Il controllo del flusso di calore attraverso piccole strutture è attualmente un argomento di ricerca caldo a causa delle sue numerose applicazioni:ad esempio, nella progettazione di processori più efficienti dal punto di vista energetico o di elementi di circuito per il riciclaggio del calore di scarto.
Il Prof. Mitchison e colleghi ora mirano a vedere se effetti simili possono essere ingegnerizzati in geometrie più complesse, rilevanti per dispositivi reali. + Esplora ulteriormente
