Nuværende trend vendt:Forskere undersøger Seebeck -effekten i elektrisk strøm

Når et stykke ledende materiale opvarmes i en af ​​dets ender, en spændingsforskel kan bygge op på tværs af prøven, som igen kan konverteres til en strøm. Dette er den såkaldte Seebeck-effekt, hjørnestenen i termoelektriske effekter. I særdeleshed, effekten giver en rute til at skabe arbejde ud af en temperaturforskel. Sådanne termoelektriske motorer har ingen bevægelig del og er derfor bekvemme strømkilder i forskellige applikationer, herunder fremdrivning af NASAs Mars rover Udholdenhed. Seebeck -effekten er interessant for grundlæggende fysik, også, som størrelsen og tegnet på den inducerede termoelektriske strøm er karakteristisk for materialet og angiver, hvordan entropi og ladestrømme er koblet. Skriver ind Fysisk gennemgang X , gruppen af ​​prof. Tilman Esslinger ved Institut for Fysik i ETH Zürich rapporterer nu om den kontrollerede vending af en sådan strøm ved at ændre interaktionsstyrken blandt bestanddelene i en kvantesimulator lavet af ekstremt kolde atomer fanget i formede laserfelter. Evnen til at fremkalde en sådan vending betyder, at systemet kan vendes fra en termoelektrisk motor til en køler.

Hvilken vej tak?

Eksperimentet, udført af forsker Samuel Häusler og kolleger i Esslinger-gruppen, starter med en sky af fermioniske litiumatomer, der afkøles til temperaturer, der er lave nok til, at kvanteeffekter bestemmer ensemblets adfærd. Skyen adskilles derefter i to uafhængige halvdele med samme atomnummer. En af dem er opvarmet, før de to reservoirer er forbundet med en todimensionel kanal. Den således udviklede ligevægtstilstand er som forventet:efter tilstrækkelig lang tid, de to halvdele indeholder lige atomnummer ved lige temperaturer. Mere interessant er den forbigående adfærd. Under ækvilibreringsprocessen, atomnummeret i hvert reservoir ændres, med atomer ebber og flyder mellem dem. I hvilken retning og med hvilken amplitude dette sker, afhænger af systemets termoelektriske egenskaber.

Takket være den udsøgte kontrol over systemet, forskerne var i stand til at måle den forbigående adfærd for forskellige interaktionsstyrker og atomtætheder inde i kanalen og sammenlignede dem med en simpel model. I modsætning til solid state-systemer, hvor de fleste termoelektriske egenskaber kan måles i enkle, veldefinerede eksperimenter, i disse små skyer af atomer udledes parametrene fra grundlæggende størrelser, f.eks. atometætheden. At finde en procedure, der korrekt ekstraherer de termoelektriske mængder over en lang række parametre, var et centralt punkt i arbejdet.

Teamet fandt ud af, at den aktuelle retning skyldes en konkurrence mellem to effekter (se figuren). På den ene side (venstre), de termodynamiske egenskaber ved reservoirerne favoriserer stigningen i atomnummer i det varme reservoir, at ækvilibrere de kemiske potentialer for de to halvdele. På den anden side (højre), kanalens egenskaber gør typisk transporten af ​​varm, energiske partikler lettere - fordi de har et stort antal mulige veje (eller, tilstande) til rådighed for dem - hvilket fører til en stigning i atomnummeret i det kolde reservoir.

En overflødig trafikregulator

Med en ikke-interagerende gas, det er muligt at beregne den dominerende tendens mellem de to konkurrerende effekter, når atomskyens præcise form er kendt og taget i betragtning. I systemet fra Häusler et al. dette kan gøres meget præcist. Både i beregningen og i målingerne den indledende atomstrøm flyder fra det varme til det kolde reservoir og er stærkere for lave atomdensiteter i kanalen. Når interaktionerne er indstillet til det såkaldte enhedsregime, systemets adfærd bliver betydeligt vanskeligere at forudsige. Beregningen bliver umulig at håndtere uden vidtgående tilnærmelser, på grund af de stærke sammenhænge, ​​der opbygges i gassen.

I dette regime, kvantesimuleringsenheden fra ETH-forskerne viste, at for høj nok middeltemperatur og lav atomdensitet i kanalen, strømmen strømmer også fra det varme til det kolde reservoir. Imidlertid, det kan vendes, når kanaltætheden øges ved hjælp af et attraktivt portpotentiale. Over en vis densitetstærskel, atomerne i kanalen undergår en faseovergang, hvor de danner par, der viser superflydende adfærd. Denne superflydende region i kanalen begrænser transporten af ​​uparrede, energiske partikler, favoriserer transporten fra kulden til det varme reservoir og dermed reversering af den termoelektriske strøm.

Mod bedre termoelektriske materialer takket være interaktioner

At forstå materiens egenskaber gennem termoelektrisk måling forbedrer den grundlæggende forståelse af interaktive kvantesystemer. Lige så vigtigt er det at identificere nye måder at designe velfungerende termoelektriske materialer, der effektivt kan omdanne små varmeforskelle til arbejde eller, hvis den bruges i omvendt tilstand, fungere som en køleenhed (kendt som en Peltier -køler).

Effektiviteten af ​​et termoelektrisk materiale er kendetegnet ved den termoelektriske fortjenstfigur. Häusler et al. har målt en stærk forbedring af værdien af ​​dette tal, når interaktionerne skrues op. Selvom denne forbedring ikke direkte kan oversættes til materialevidenskab, denne fremragende kølekapacitet kunne allerede bruges til at nå lavere temperaturer for atomgasser, hvilket igen muliggør en bred vifte af nye fundamentale eksperimenter inden for kvantevidenskab.