septiembre 22, 2021

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Inversión de la tendencia actual | EurekAlert! Noticias de ciencia

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imagen: Impresión artística del experimento en el que Häusler y sus colegas primero calentaron una de las dos nubes de gas cuántico y luego las unieron a un canal bidimensional, para que pudieran equilibrarse … Más

Crédito: D. Husmann & S. Häusler, ETH Zurich

Cuando una pieza de material conductor se calienta en un extremo, se puede acumular una diferencia de potencial en la muestra, que a su vez se puede convertir en una corriente. Este es el llamado efecto Sebek, y es la piedra angular de los efectos termoeléctricos. En particular, el efecto proporciona una forma de crear una acción a partir de la diferencia de temperatura. Estos motores termoeléctricos no tienen ninguna parte móvil y, por lo tanto, son fuentes de energía adecuadas en varias aplicaciones, incluida la propulsión del rover de Marte de la NASA El efecto Sebek también es interesante para la física básica, ya que el tamaño y la marca de la corriente termoeléctrica inducida es una característica del material e indica cómo se acoplan la entropía y las corrientes de carga. Escritura Revisión física XEl grupo del profesor Tillman Esslinger del Departamento de Física de la ETH de Zúrich ha informado ahora del reflejo controlado de dicha corriente al cambiar la fuerza de interacción entre los componentes de un simulador cuántico hecho de átomos extremadamente fríos atrapados en campos láser formados. La capacidad de inducir tal inversión significa que el sistema se puede convertir de un motor termoeléctrico a un refrigerante.

¿De qué manera, por favor?

El experimento, realizado por el investigador de doctorado Samuel Hossler y sus colegas del grupo Eislinger, comenzó con una nube de átomos de litio fermiónico que se enfrían a temperaturas lo suficientemente bajas como para que los efectos cuánticos determinen el comportamiento del grupo. Luego, la nube se divide en dos mitades independientes del mismo número atómico. Uno de ellos se calienta, antes de que los dos tanques se conecten a un canal 2D. La condición de equilibrio que se desarrolla de esta manera es la esperada: después de un tiempo suficientemente largo, las mitades contienen números atómicos iguales a temperaturas iguales. Lo más interesante es el comportamiento transitorio. Durante el proceso de equilibrio, el número de átomos en cada tanque cambia, a medida que los átomos fluyen y refluyen entre ellos. En qué dirección y con qué amplitud esto ocurre depende de las propiedades termoeléctricas del sistema.

Gracias al excelente control sobre el sistema, los investigadores pudieron medir los comportamientos transitorios de las diversas fuerzas de interacción y la densidad atómica dentro del canal y compararlos con un modelo simple. A diferencia de los sistemas de estado sólido, donde la mayoría de las propiedades termoeléctricas se pueden medir en experimentos simples y bien definidos, en estas pequeñas nubes de átomos, los parámetros se infieren a partir de cantidades básicas como la densidad de un átomo. Encontrar un procedimiento que extraiga adecuadamente cantidades termoeléctricas a través de una amplia gama de parámetros fue un punto importante del trabajo.

El equipo descubrió que la tendencia actual se debe a una competencia entre dos influencias (ver figura). Por un lado (izquierda), las propiedades termodinámicas de los tanques favorecen un aumento del número de átomos en el tanque caliente, para equilibrar los potenciales químicos de las mitades. Por otro lado (a la derecha), las propiedades del canal facilitan el transporte de partículas calientes y energéticas, porque tienen una gran cantidad de posibles rutas (o patrones) disponibles para ellas, lo que aumenta la cantidad de átomos en el tanque frío.

Regulador de paso ultrafluido

Con gas no reactivo, es posible calcular la tendencia entre los dos efectos en competencia una vez que se conoce y se tiene en cuenta la forma exacta de la nube atómica. En el Häusler et al. Esto se puede hacer con mucho cuidado. Tanto en el cálculo como en las mediciones, la corriente de átomos primarios fluye desde el tanque caliente al tanque frío y es más fuerte para las densidades atómicas más bajas en el canal. Cuando se sintonizan las interacciones con el llamado sistema unitario, la predicción del comportamiento del sistema se vuelve más difícil. El cálculo se vuelve difícil de alcanzar sin aproximaciones a gran escala, dadas las fuertes correlaciones que se acumulan en el gas.

En este sistema, el simulador cuántico de los investigadores de ETH mostró que para la temperatura promedio suficientemente alta y la baja densidad del átomo en el canal, la corriente también fluye desde el tanque caliente al tanque frío. Sin embargo, se puede revertir cuando se aumenta la densidad del canal utilizando un potencial de puerta atractivo. Por encima de un cierto umbral de densidad, los átomos del canal atraviesan una transición de fase a medida que forman pares que exhiben un comportamiento superfluido. Esta zona de superfluido en el canal limita el transporte de partículas energéticas no dúplex, favoreciendo el transporte del tanque frío al caliente e invirtiendo así la corriente termoeléctrica.

Hacia mejores materiales termoeléctricos gracias a las reacciones

Comprender las propiedades de la materia a través de la medición electrotérmica mejora la comprensión básica de la interacción de los sistemas cuánticos. También es importante identificar nuevos métodos para diseñar materiales termoeléctricos de buen rendimiento que puedan convertir de manera eficiente pequeñas diferencias de calor en acción o, si se usan en modo inverso, actuar como un dispositivo de enfriamiento (conocido como enfriador Peltier).

La eficiencia del material termoeléctrico se caracteriza por la forma termoeléctrica de mérito. Häusler y col. Midieron un fuerte impulso a este número cuando aumentaron las interacciones. Si bien esta mejora no se puede traducir directamente en la ciencia de los materiales, esta excelente capacidad de enfriamiento se puede utilizar para lograr temperaturas más bajas de los gases atómicos, lo que a su vez puede permitir una amplia gama de nuevos experimentos fundamentales en la ciencia cuántica.

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