Effekt av föroreningar på strömfördelningen i den svaga kopplingsgränsen, med föroreningspositioner markerade med fyllda svarta cirklar. Röda pilar visar bosonströmmar och blå pilar visar fermionströmmar. I alla tomter, m =t , Th =t , Tc =0,01t , ω 0 =10t och μ =ω 0 −0,1t . Kredit:Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.120403
Fysiker från Trinity College Dublin och Universidad Complutense i Madrid har gjort en märklig upptäckt där energin rör sig från en kallare till en varmare region.
De beskriver hur en kvanteffekt tvingar ström som passerar genom en bit materia att flyta runt dess kanter och ibland mot den typiska värmeöverföringsriktningen.
Den nya forskningen – precis publicerad i tidskriften Physical Review Letters —visar att den kontraintuitiva strömmen är anmärkningsvärt robust och uppstår i en bredare klass av material än man tidigare trott.
Detta gör det lättare att observera i experiment och kan så småningom inspirera till nya metoder för att kontrollera flödet av energi genom strukturer i nanoskala, som kan ha tillämpningar inom materialvetenskap och datorer med bättre prestanda och hållbarhet i åtanke.
Kantströmmar och topologiska material
Robusta kantströmmar förekommer vanligtvis i så kallade "topologiska material", uppkallade efter den matematiska disciplinen topologi, som klassificerar former och ytor efter hur lätt de kan deformeras till varandra.
Till exempel kan en fotboll pressas till formen av en rugbyboll med tillräcklig kraft (förutsatt att den inte spricker), så matematiker säger att de två bollarna har samma topologi. En bolls topologi kallas "trivial" eftersom den är så enkel.
Ett exempel på icke-trivial topologi är en munk, som inte kan deformeras till en boll utan att slita isär den på grund av hålet i mitten. Kaffemuggar och kettlebells har samma topologi som en munk (på grund av hålet genom deras handtag) vilket innebär att alla tre former alla kontinuerligt kan deformeras till varandra utan att riva eller limma ihop delar.
Inuti ett material kan en elektron ha många olika energier beroende på dess hastighet och rörelseriktning. Detta landskap av möjliga energier bildar en hypotetisk yta vars topologi kan vara antingen trivial eller icke-trivial, som en boll, en munk eller till och med mer komplexa former.
Den nyligen beskrivna effekten
"Förekomsten av kantströmmar i topologiskt icke-triviala material har varit känd och förstått i decennier", säger Mark Mitchison, biträdande professor vid Trinity's School of Physics, huvudförfattare till studien och PI för ToCQS-gruppen vid Trinity. "Men vi förväntade oss inte att se robusta kantströmmar dyka upp i topologiskt triviala system också."
Prof. Mitchison och hans kollegor från Madrid, Profs. Ángel Rivas och Miguel-Ángel Martin Delgado, visade att detta kan hända om systemet utsätts för en temperaturgradient, t.ex. om ena änden av systemet är varmare än den andra.
De cirkulerande kantströmmarna är i stort sett opåverkade av defekter och, kontraintuitivt, transporterar de energi mot temperaturgradienten på vissa ställen. Men hur är det med termodynamikens andra lag? Förbjuder inte detta energi från att flöda från kallt till varmt?
"Den övergripande nettoöverföringen av värme är alltid från den varma till den kalla reservoaren. Termodynamikens andra lag överträds aldrig", klargör prof. Mitchison.
"Men lokalt, på ena kanten, flyter strömmen åt andra hållet, så en varelse som bor på den ytan skulle observera mycket konstig fysik! Strömmen skulle flyta åt fel håll ur deras perspektiv, nästan som att se en film i omvänd riktning."
Att styra värmeflödet genom små strukturer är för närvarande ett hett forskningsämne på grund av dess många tillämpningar:till exempel vid design av mer energieffektiva processorer eller kretselement för återvinning av spillvärme.
Prof. Mitchison och kollegor siktar nu på att se om liknande effekter kan konstrueras i mer komplexa geometrier, relevanta för verkliga enheter. + Utforska vidare
