Cuando una pieza de material conductor se calienta en uno de sus extremos, puede acumularse una diferencia de voltaje en la muestra, que a su vez se puede convertir en corriente. Este es el llamado efecto Seebeck, la piedra angular de los efectos termoeléctricos. En particular, el efecto proporciona una ruta para crear trabajo a partir de una diferencia de temperatura. Dichos motores termoeléctricos no tienen ninguna parte móvil y, por lo tanto, son fuentes de energía convenientes en diversas aplicaciones. incluyendo propulsar el rover Perseverance de Marte de la NASA. El efecto Seebeck es interesante para la física fundamental, también, ya que la magnitud y el signo de la corriente termoeléctrica inducida es característico del material e indica cómo se acoplan la entropía y las corrientes de carga. Escribiendo en Revisión física X , el grupo del Prof. Tilman Esslinger del Departamento de Física de ETH Zurich informa ahora sobre la reversión controlada de tal corriente al cambiar la fuerza de interacción entre los componentes de un simulador cuántico hecho de átomos extremadamente fríos atrapados en campos láser con forma. La capacidad de inducir tal inversión significa que el sistema se puede convertir de un motor termoeléctrico en un enfriador.

¿De qué manera, por favor?

El experimento, realizado por el investigador de doctorado Samuel Häusler y compañeros de trabajo en el grupo Esslinger, comienza con una nube de átomos de litio fermiónico que se enfrían a temperaturas lo suficientemente bajas como para que los efectos cuánticos determinen el comportamiento del conjunto. Luego, la nube se separa en dos mitades independientes de igual número de átomos. Uno de ellos se calienta, antes de que los dos depósitos estén conectados por un canal bidimensional. El estado de equilibrio que se desarrolla así es el esperado:después de un tiempo suficientemente largo, las dos mitades contienen el mismo número de átomos a temperaturas iguales. Más interesante es el comportamiento transitorio. Durante el proceso de equilibrado, el número de átomos en cada depósito cambia, con los átomos refluyendo y fluyendo entre ellos. En qué dirección y con qué amplitud esto sucede depende de las propiedades termoeléctricas del sistema.

Gracias al exquisito control sobre el 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 de forma simple, experimentos bien definidos, en estas pequeñas nubes de átomos, los parámetros se infieren a partir de cantidades fundamentales como la densidad del átomo. Encontrar un procedimiento que extraiga adecuadamente las 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 la 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 normalmente hacen que el transporte de calor, partículas energéticas más fáciles, porque tienen una gran cantidad de posibles vías (o, modos) disponibles para ellos, lo que lleva a un aumento del número de átomos en el depósito frío.

Un regulador de tráfico superfluido

Con un gas que no interactúa, 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. esto se puede hacer con mucha precisión. Tanto en el cálculo como en las medidas, la corriente atómica inicial fluye del depósito caliente al frío y es más fuerte para densidades atómicas bajas en el canal. Cuando las interacciones se sintonizan con el llamado régimen unitario, el comportamiento del sistema se vuelve considerablemente más difícil de predecir. El cálculo se vuelve intratable sin aproximaciones de amplio alcance, 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 del depósito caliente al 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 muestran un comportamiento superfluido. Esta región superfluida en el canal limita el transporte de partículas energéticas, favoreciendo el transporte del depósito frío al caliente y por 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 buen rendimiento que puedan transformar de manera eficiente las pequeñas diferencias de calor en trabajo o, si se usa 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. han medido una fuerte mejora del valor de esta cifra al aumentar las interacciones. Si bien esta mejora no se puede traducir directamente a la ciencia de los materiales, esta excelente capacidad de enfriamiento ya podría usarse para alcanzar 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.