Los científicos estudian el efecto Seebeck en la corriente eléctrica

Cuando una pieza de material conductor se calienta en uno de sus extremos, se puede generar una diferencia de voltaje en la muestra, que a su vez se puede convertir en corriente. Esto se llama efecto Seebeck, la piedra angular de los efectos termoeléctricos. En particular, el efecto proporciona una forma de crear trabajo a partir de una diferencia de temperatura. Dichos motores termoeléctricos no tienen una parte móvil y, por lo tanto, son fuentes de energía prácticas en varias aplicaciones, incluida la propulsión del rover Mars Perseverance de la NASA. El efecto Seebeck también es de interés para la física fundamental, ya que la magnitud y el signo de la corriente termoeléctrica inducida son característicos del material e indican cómo se acoplan la entropía y las corrientes de carga. Escribir en Examen físico X, el grupo del profesor Tilman Esslinger del departamento de física de ETH Zurich informa ahora la reversión controlada de tal corriente modificando la fuerza de interacción entre los constituyentes de un simulador cuántico compuesto por átomos extremadamente fríos atrapados en campos láser con forma. La capacidad de inducir tal inversión significa que el sistema puede transformarse de un motor termoeléctrico en un enfriador.

¿De qué manera por favor?

El experimento, realizado por el estudiante de doctorado Samuel Häusler y colaboradores del grupo Esslinger, comienza con una nube de litio fermiónico átomos enfriado a temperaturas lo suficientemente bajas como para que los efectos cuánticos determinen el comportamiento del ensamblaje. Luego, la nube se divide en dos mitades independientes con el mismo número de átomos. Uno de ellos se calienta, antes de que los dos tanques estén conectados por un canal bidimensional. la estado de equilibrio que se desarrolla de esta manera es como se esperaba: después de un tiempo suficientemente largo, las dos mitades contienen igual número de átomos a iguales temperaturas. El comportamiento transitorio es más interesante. Durante el proceso de equilibrio, el número de átomos en cada depósito cambia, y los átomos fluyen hacia adelante y hacia atrás entre ellos. En qué dirección y con qué amplitud esto ocurre depende de las propiedades termoeléctricas del sistema.

Con el control exquisito del sistema, los investigadores pudieron medir los comportamientos transitorios para diferentes fuerzas de interacción y densidades atómicas dentro del canal y los compararon 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 fundamentales como la densidad de los átomos. Encontrar un procedimiento que extraiga correctamente cantidades termoeléctricas en una amplia gama de parámetros fue un punto clave del trabajo.

El equipo descubrió que la dirección actual resulta de una competencia entre dos efectos (ver figura). Por un lado (izquierda), las propiedades termodinámicas de los reservorios favorecen el aumento del número de átomos en el reservorio caliente, para equilibrar los potenciales químicos de las dos mitades. Por otro lado (derecha), las propiedades del canal generalmente facilitan el transporte de partículas calientes y energéticas, debido a que tienen una gran cantidad de posibles vías (o modos), lo que lleva a un aumento en la cantidad de átomos en el tanque frío. .

Un regulador de tráfico superfluido

Con un gas sin interacción, es posible calcular la tendencia dominante entre los dos efectos en competencia una vez que se conoce y se tiene en cuenta la forma precisa de la nube de átomos. En el sistema de Häusler et al. se puede hacer con mucha precisión. Tanto en el cálculo como en las mediciones, la corriente atómica inicial fluye desde el reservorio caliente al reservorio frío y es más fuerte para densidades atómicas bajas en el canal. Cuando las interacciones se adaptan al llamado régimen unitario, el comportamiento del sistema se vuelve considerablemente más difícil de predecir. El cálculo se vuelve insoluble sin aproximaciones a gran escala, debido a las fuertes correlaciones que se acumulan en el gas.

En este régimen, el dispositivo de simulación cuántica de los investigadores de ETH mostró que para una temperatura media suficientemente alta y una baja densidad de átomos en el canal, la corriente también fluye desde el depósito caliente al depósito 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 experimentan una transición de fase en la que forman pares que exhiben un comportamiento superfluido. Esta región superfluida en el canal limita el transporte de partículas energéticas no apareadas, favoreciendo el transporte desde el reservorio frío al reservorio caliente y por lo tanto la inversión de la corriente termoeléctrica.

Hacia mejores materiales termoeléctricos gracias a las interacciones

La comprensión de las propiedades de la materia a través de la medición termoeléctrica mejora la comprensión fundamental de los sistemas cuánticos en interacción. Es igualmente importante identificar nuevas formas de diseñar materiales termoeléctricos de alto rendimiento que puedan convertir de manera eficiente pequeñas diferencias de calor en trabajo o, si se usan en modo inverso, actuar como un dispositivo de enfriamiento (conocido como enfriador Peltier).

La eficiencia de un material termoeléctrico se caracteriza por la figura de mérito termoeléctrico. Häusler y col. midió una fuerte mejora en el valor de este número al aumentar las interacciones. Aunque esta mejora no se puede traducir directamente en la ciencia de los materiales, esta excelente capacidad de enfriamiento ya podría usarse para lograr temperaturas más bajas para los gases atómicos, lo que a su vez podría permitir una amplia gama de nuevos experimentos fundamentales en la ciencia cuántica.

Proporcionado por el Departamento de Física de ETH Zurich