Konstnärligt intryck av experimentet där Häusler och kollegor först värmer upp ett av två kvantgasmoln och sedan kopplar ihop dem med en tvådimensionell kanal, så att de kan komma i jämvikt. Kredit:D. Husmann &S. Häusler, ETH Zürich
När ett stycke ledande material värms upp i en av dess ändar, en spänningsskillnad kan byggas upp över provet, som i sin tur kan omvandlas till en ström. Detta är den så kallade Seebeck-effekten, hörnstenen i termoelektriska effekter. Särskilt, effekten ger en väg till att skapa arbete ur en temperaturskillnad. Sådana termoelektriska motorer har ingen rörlig del och är därför lämpliga kraftkällor i olika applikationer, inklusive att driva fram NASA:s Mars-rover Perseverance. Seebeck-effekten är intressant för fundamental fysik, för, eftersom storleken och tecknet på den inducerade termoelektriska strömmen är karakteristisk för materialet och indikerar hur entropi- och laddningsströmmar är kopplade. Skriver in Fysisk granskning X , gruppen av prof. Tilman Esslinger vid institutionen för fysik vid ETH Zürich rapporterar nu om den kontrollerade omkastningen av en sådan ström genom att ändra interaktionsstyrkan mellan beståndsdelarna i en kvantsimulator gjord av extremt kalla atomer fångade i formade laserfält. Förmågan att inducera en sådan omkastning innebär att systemet kan förvandlas från en termoelektrisk motor till en kylare.
Vart snälla?
Experimentet, utförd av doktorand Samuel Häusler och medarbetare i Esslinger-gruppen, börjar med ett moln av fermioniska litiumatomer som kyls till temperaturer som är tillräckligt låga för att kvanteffekter avgör ensemblens beteende. Molnet separeras sedan i två oberoende halvor med lika många atomer. En av dem är uppvärmd, innan de två reservoarerna är förbundna med en tvådimensionell kanal. Jämviktstillståndet som därmed utvecklas är som förväntat:efter tillräckligt lång tid, de två halvorna innehåller lika många atomer vid lika temperaturer. Mer intressant är det övergående beteendet. Under jämviktsprocessen, atomnumret i varje reservoar ändras, med atomerna ebbar och flödar mellan dem. I vilken riktning och med vilken amplitud detta sker beror på systemets termoelektriska egenskaper.
Tack vare den utsökta kontrollen över systemet, forskarna kunde mäta de transienta beteendena för olika interaktionsstyrkor och atomdensiteter inuti kanalen och jämförde dem med en enkel modell. I motsats till solid state-system, där de flesta termoelektriska egenskaper kan mätas på enkla, väldefinierade experiment, i dessa små moln av atomer härleds parametrarna från fundamentala storheter som atomdensiteten. Att hitta en procedur som korrekt extraherar de termoelektriska mängderna över ett brett spektrum av parametrar var en nyckelpunkt i arbetet.
Teamet fann att den nuvarande riktningen är ett resultat av en konkurrens mellan två effekter (se figuren). Å ena sidan (vänster), reservoarernas termodynamiska egenskaper gynnar ökningen av atomantal i den heta reservoaren, att utjämna de två halvornas kemiska potentialer. Å andra sidan (höger), kanalens egenskaper gör vanligtvis transporten av varm, energetiska partiklar lättare – eftersom de har ett stort antal möjliga vägar (eller, lägen) tillgängliga för dem – vilket leder till en ökning av atomnumret i den kalla reservoaren.
Schematisk över de två alternativen hur atomerna kan nå termisk jämvikt med utgångspunkt från två reservoarer vid olika temperatur. Kredit:S. Häusler, ETH Zürich
En superfluid trafikregulator
Med en icke-interagerande gas, det är möjligt att beräkna den dominerande trenden mellan de två konkurrerande effekterna när den exakta formen på atommolnet är känd och tagits i beaktande. I systemet enligt Häusler et al. detta kan göras mycket exakt. Både i beräkningen och i mätningarna, den initiala atomströmmen flyter från den varma till den kalla reservoaren och är starkare för låga atomdensiteter i kanalen. När interaktionerna är inställda på den så kallade enhetliga regimen, systemets beteende blir betydligt svårare att förutse. Beräkningen blir svårhanterlig utan omfattande uppskattningar, på grund av de starka sambanden som byggs upp i gasen.
I denna regim, ETH-forskarnas kvantsimuleringsanordning visade att för tillräckligt hög medeltemperatur och låg atomdensitet i kanalen, strömmen flyter också från den varma till den kalla reservoaren. Dock, den kan vändas när kanaldensiteten ökas med en attraktiv grindpotential. Över en viss densitetströskel, atomerna i kanalen genomgår en fasövergång där de bildar par som visar superfluid beteende. Detta superfluidområde i kanalen begränsar transporten av oparade, energiska partiklar, gynnar transporten från den kalla till den varma reservoaren och därmed omkastningen av den termoelektriska strömmen.
Mot bättre termoelektriska material tack vare interaktioner
Att förstå materiens egenskaper genom termoelektrisk mätning förbättrar den grundläggande förståelsen av interagerande kvantsystem. Lika viktigt är att identifiera nya sätt att designa välpresterande termoelektriska material som effektivt kan omvandla små värmeskillnader till arbete eller, om det används i omvänt läge, fungera som en kylanordning (känd som en Peltier-kylare).
Effektiviteten hos ett termoelektriskt material kännetecknas av den termoelektriska siffran. Häusler et al. har uppmätt en kraftig förbättring av värdet på denna siffra när man växlar upp interaktionerna. Även om denna förbättring inte direkt kan översättas till materialvetenskap, denna utmärkta kylförmåga kunde redan användas för att nå lägre temperaturer för atomgaser, vilket i sin tur kan möjliggöra ett brett utbud av nya fundamentala experiment inom kvantvetenskap.
