Wanneer een stuk geleidend materiaal aan een van de uiteinden wordt verwarmd, een spanningsverschil kan opbouwen over het monster, die op zijn beurt kan worden omgezet in een stroom. Dit is het zogenaamde Seebeck-effect, de hoeksteen van thermo-elektrische effecten. Vooral, het effect biedt een weg naar het creëren van werk uit een temperatuurverschil. Dergelijke thermo-elektrische motoren hebben geen beweegbaar onderdeel en zijn daarom handige krachtbronnen in verschillende toepassingen, inclusief het voortstuwen van NASA's Marsrover Perseverance. Het Seebeck-effect is interessant voor de fundamentele natuurkunde, te, omdat de grootte en het teken van de geïnduceerde thermo-elektrische stroom kenmerkend is voor het materiaal en aangeeft hoe entropie en ladingsstromen zijn gekoppeld. Inschrijven Fysieke beoordeling X , de groep van prof. Tilman Esslinger van de afdeling Fysica van ETH Zürich rapporteert nu over de gecontroleerde omkering van een dergelijke stroom door de interactiesterkte tussen de componenten van een kwantumsimulator te veranderen die is gemaakt van extreem koude atomen die zijn gevangen in gevormde laservelden. Het vermogen om een ​​dergelijke omkering te bewerkstelligen betekent dat het systeem van een thermo-elektrische motor in een koeler kan worden veranderd.

Welke kant op alstublieft?

Het experiment, uitgevoerd door doctoraal onderzoeker Samuel Häusler en medewerkers van de Esslinger-groep, begint met een wolk van fermionische lithiumatomen die worden afgekoeld tot temperaturen die laag genoeg zijn dat kwantumeffecten het gedrag van het ensemble bepalen. De wolk wordt vervolgens gescheiden in twee onafhankelijke helften met hetzelfde atoomnummer. Een ervan is verwarmd, voordat de twee reservoirs worden verbonden door een tweedimensionaal kanaal. De evenwichtstoestand die zich zo ontwikkelt is zoals verwacht:na een voldoende lange tijd, de twee helften bevatten gelijke atoomnummers bij gelijke temperaturen. Interessanter is het voorbijgaande gedrag. Tijdens het evenwichtsproces, het atoomnummer in elk reservoir verandert, met de atomen die ertussen ebben en stromen. In welke richting en met welke amplitude dit gebeurt, hangt af van de thermo-elektrische eigenschappen van het systeem.

Dankzij de uitstekende controle over het systeem, de onderzoekers waren in staat om het voorbijgaande gedrag te meten voor verschillende interactiesterkten en atomaire dichtheden in het kanaal en deze te vergelijken met een eenvoudig model. In tegenstelling tot solid-state systemen, waar de meeste thermo-elektrische eigenschappen kunnen worden gemeten in eenvoudige, goed gedefinieerde experimenten, in deze kleine wolken van atomen worden de parameters afgeleid uit fundamentele grootheden zoals de atoomdichtheid. Het vinden van een procedure die de thermo-elektrische grootheden op de juiste manier extraheert over een breed scala aan parameters, was een belangrijk punt van het werk.

Het team ontdekte dat de huidige richting het gevolg is van een competitie tussen twee effecten (zie de figuur). Aan de ene kant (links), de thermodynamische eigenschappen van de reservoirs bevorderen de toename van het atoomnummer in het hete reservoir, om de chemische potentialen van de twee helften in evenwicht te brengen. Aan de andere kant (rechts) de eigenschappen van het kanaal maken typisch het transport van warme, energetische deeltjes gemakkelijker - omdat ze een groot aantal mogelijke paden hebben (of, modi) die voor hen beschikbaar zijn, wat leidt tot een toename van het atoomnummer in het koude reservoir.

Een supervloeibare verkeersregelaar

Met een niet-interactief gas, het is mogelijk om de dominante trend tussen de twee concurrerende effecten te berekenen zodra de precieze vorm van de atoomwolk bekend is en er rekening mee wordt gehouden. In het systeem van Häusler et al. dit kan zeer nauwkeurig. Zowel in de berekening als in de metingen, de initiële atoomstroom vloeit van het warme naar het koude reservoir en is sterker voor lage atoomdichtheden in het kanaal. Wanneer de interacties worden afgestemd op het zogenaamde unitaire regime, het gedrag van het systeem wordt aanzienlijk moeilijker te voorspellen. De berekening wordt onhandelbaar zonder uitgebreide benaderingen, vanwege de sterke correlaties die zich in het gas opbouwen.

Bij dit regime het kwantumsimulatieapparaat van de ETH-onderzoekers toonde aan dat voor voldoende hoge gemiddelde temperatuur en lage atoomdichtheid in het kanaal, de stroom loopt ook van het warme naar het koude reservoir. Echter, het kan worden omgekeerd wanneer de kanaaldichtheid wordt verhoogd met behulp van een aantrekkelijk poortpotentieel. Boven een bepaalde dichtheidsdrempel, de atomen in het kanaal ondergaan een faseovergang waarbij ze paren vormen die supervloeibaar gedrag vertonen. Dit superfluïde gebied in het kanaal beperkt het transport van ongepaarde, energetische deeltjes, het bevorderen van het transport van het koude naar het warme reservoir en dus de omkering van de thermo-elektrische stroom.

Naar betere thermo-elektrische materialen dankzij interacties

Het begrijpen van de eigenschappen van materie door middel van thermo-elektrische metingen verbetert het fundamentele begrip van op elkaar inwerkende kwantumsystemen. Even belangrijk is het identificeren van nieuwe manieren om goed presterende thermo-elektrische materialen te ontwerpen die kleine warmteverschillen efficiënt kunnen omzetten in werk of, indien gebruikt in omgekeerde modus, fungeren als een koelapparaat (bekend als een Peltier-koeler).

De efficiëntie van een thermo-elektrisch materiaal wordt gekenmerkt door het thermo-elektrische cijfer van verdienste. Hausler et al. hebben een sterke verhoging van de waarde van dit cijfer gemeten bij het aanzwengelen van de interacties. Hoewel deze verbetering niet direct kan worden vertaald in materiaalwetenschap, dit uitstekende koelvermogen zou al kunnen worden gebruikt om lagere temperaturen voor atomaire gassen te bereiken, wat op zijn beurt een breed scala aan nieuwe fundamentele experimenten in de kwantumwetenschap mogelijk zou kunnen maken.