Kantstrømmene, der ikke følger med strømmen:Forskere gør en ejendommelig kvanteopdagelse

Fysikere fra Trinity College Dublin og Universidad Complutense i Madrid har gjort en ejendommelig opdagelse, hvor energi bevæger sig fra et koldere til et varmere område.

De beskriver, hvordan en kvanteeffekt tvinger strøm, der passerer gennem et stykke stof, til at flyde rundt om dets kanter og nogle gange mod den typiske retning af varmeoverførsel.

Den nye forskning – netop offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters — viser, at den kontraintuitive strøm er bemærkelsesværdig robust og opstår i en bredere klasse af materialer, end man tidligere har troet.

Dette gør det lettere at observere i eksperimenter og kan i sidste ende inspirere til nye metoder til at kontrollere strømmen af ​​energi gennem strukturer i nanoskala, som kunne have anvendelser inden for materialevidenskab og databehandling med bedre ydeevne og bæredygtighed i tankerne.

Kantstrømme og topologiske materialer

Robuste kantstrømme forekommer typisk i såkaldte "topologiske materialer", opkaldt efter den matematiske disciplin topologi, som klassificerer former og overflader efter, hvor let de kan deformeres til hinanden.

For eksempel kan en fodbold presses ind i form af en rugbybold med tilstrækkelig kraft (forudsat at den ikke brister), så matematikere siger, at de to bolde har den samme topologi. Topologien af ​​en bold kaldes "triviel", fordi den er så enkel.

Et eksempel på ikke-triviel topologi er en donut, som ikke kan deformeres til en bold uden at rive den fra hinanden på grund af hullet i midten. Kaffekrus og kettlebells har samme topologi som en doughnut (på grund af hullet gennem deres håndtag), hvilket betyder, at alle tre former alle kontinuerligt kan deformeres til hinanden uden at rive eller lime dele sammen.

Inde i et materiale kan en elektron have mange forskellige energier afhængigt af dens hastighed og bevægelsesretning. Dette landskab af mulige energier danner en hypotetisk overflade, hvis topologi kan være enten triviel eller ikke-triviel, som en kugle, en doughnut eller endnu mere komplekse former.

Den nyligt beskrevne effekt

"Eksistensen af ​​kantstrømme i topologisk ikke-trivielle materialer har været kendt og forstået i årtier," siger Mark Mitchison, adjunkt ved Trinity's School of Physics, hovedforfatter af undersøgelsen og PI for ToCQS-gruppen på Trinity. "Men vi forventede ikke også at se robuste kantstrømme optræde i topologisk trivielle systemer."

Prof. Mitchison og hans kolleger fra Madrid, Profs. Ángel Rivas og Miguel-Ángel Martin Delgado, viste, at dette kan ske, hvis systemet er udsat for en temperaturgradient, f.eks. hvis den ene ende af systemet er varmere end den anden.

De cirkulerende kantstrømme er stort set upåvirkede af defekter, og modsat transporterer de energi mod temperaturgradienten nogle steder. Men hvad med termodynamikkens anden lov? Forbyder dette ikke energi fra at flyde fra koldt til varmt?

"Den overordnede nettooverførsel af varme er altid fra det varme til det kolde reservoir. Termodynamikkens anden lov bliver aldrig overtrådt," præciserer prof. Mitchison.

"Men lokalt, på den ene kant, flyder strømmen i den anden retning, så et væsen, der bor på den overflade, ville observere meget mærkelig fysik! Strømmen ville flyde den forkerte vej fra deres perspektiv, næsten som at se en film i omvendt rækkefølge."

Kontrol af varmestrøm gennem små strukturer er i øjeblikket et varmt forskningsemne på grund af dets mange anvendelser:for eksempel i design af mere energieffektive processorer eller kredsløbselementer til genbrug af spildvarme.

Prof. Mitchison og kolleger sigter nu efter at se, om lignende effekter kan konstrueres i mere komplekse geometrier, der er relevante for rigtige enheder. + Udforsk yderligere

Topologi kan spille en afgørende rolle i genereringen af ​​laserlys