Natuurkundigen van Trinity College Dublin en de Universidad Complutense van Madrid hebben een merkwaardige ontdekking gedaan waarbij energie van een koudere naar een warmere regio gaat.

Ze beschrijven hoe een kwantumeffect de stroom die door een stuk materie gaat, dwingt om langs de randen te stromen en soms tegen de typische richting van warmteoverdracht in.

Het nieuwe onderzoek - zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters —laat zien dat de tegen-intuïtieve stroom opmerkelijk robuust is en ontstaat in een bredere klasse van materialen dan eerder werd aangenomen.

Dit maakt het gemakkelijker om te observeren in experimenten en zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe methoden voor het regelen van de energiestroom door structuren op nanoschaal, die toepassingen kunnen hebben in materiaalwetenschap en informatica met betere prestaties en duurzaamheid in het achterhoofd.

Randstromen en topologische materialen

Robuuste randstromen komen meestal voor in zogenaamde "topologische materialen", genoemd naar de wiskundige discipline van de topologie, die vormen en oppervlakken classificeert op basis van hoe gemakkelijk ze in elkaar kunnen worden vervormd.

Een voetbal kan bijvoorbeeld met voldoende kracht in de vorm van een rugbybal worden geplet (ervan uitgaande dat hij niet barst), dus wiskundigen zeggen dat de twee ballen dezelfde topologie hebben. De topologie van een bal wordt "triviaal" genoemd omdat het zo eenvoudig is.

Een voorbeeld van een niet-triviale topologie is een donut, die vanwege het gat in het midden niet kan worden vervormd tot een bal zonder deze uit elkaar te scheuren. Koffiemokken en kettlebells hebben dezelfde topologie als een donut (vanwege het gat in hun handvat), wat betekent dat alle drie de vormen continu in elkaar kunnen worden vervormd zonder onderdelen te scheuren of aan elkaar te lijmen.

Binnen een materiaal kan een elektron veel verschillende energieën hebben, afhankelijk van zijn snelheid en bewegingsrichting. Dit landschap van mogelijke energieën vormt een hypothetisch oppervlak waarvan de topologie triviaal of niet-triviaal kan zijn, zoals een bal, een donut of zelfs meer complexe vormen.

Het nieuw beschreven effect

"Het bestaan ​​van randstromen in topologisch niet-triviale materialen is al tientallen jaren bekend en begrepen", zegt Mark Mitchison, assistent-professor in Trinity's School of Physics, hoofdauteur van de studie en PI van de ToCQS-groep aan Trinity. "Maar we hadden niet verwacht dat er ook in topologisch triviale systemen robuuste randstromen zouden verschijnen."

Prof. Mitchison en zijn collega's uit Madrid, Profs. Ángel Rivas en Miguel-Ángel Martin Delgado, toonden aan dat dit kan gebeuren als het systeem onderhevig is aan een temperatuurgradiënt, b.v. als het ene uiteinde van het systeem heter is dan het andere.

De circulerende randstromen worden grotendeels onaangetast door defecten en, contra-intuïtief, transporteren ze op sommige plaatsen energie tegen de temperatuurgradiënt in. Maar hoe zit het met de tweede wet van de thermodynamica? Verbiedt dit niet dat energie van koud naar heet kan stromen?

"De totale, netto overdracht van warmte is altijd van het warme naar het koude reservoir. De tweede wet van de thermodynamica wordt nooit geschonden", verduidelijkt prof. Mitchison.

"Maar plaatselijk, aan de ene kant, stroomt de stroom de andere kant op, dus een wezen dat op dat oppervlak leeft, zou heel vreemde fysica waarnemen! De stroom zou vanuit hun perspectief de verkeerde kant op gaan, bijna alsof je omgekeerd naar een film kijkt."

Het beheersen van de warmtestroom door kleine constructies is momenteel een hot topic van onderzoek vanwege de vele toepassingen:bijvoorbeeld bij het ontwerpen van energiezuinigere processors of circuitelementen voor het recyclen van restwarmte.

Prof. Mitchison en collega's willen nu zien of vergelijkbare effecten kunnen worden ontwikkeld in complexere geometrieën, relevant voor echte apparaten. + Verder verkennen

Topologie kan een cruciale rol spelen bij het genereren van laserlicht