Физики из Тринити-колледжа в Дублине и Университета Комплутенсе в Мадриде сделали необычное открытие, согласно которому энергия перемещается из более холодной области в более горячую.

Они описывают, как квантовый эффект заставляет ток, проходящий через кусок материи, течь по его краям, а иногда и против типичного направления теплопередачи.

Новое исследование, только что опубликованное в журнале Physical Review Letters , показывает, что контринтуитивный ток удивительно устойчив и возникает в более широком классе материалов, чем считалось ранее.

Это облегчает наблюдение в экспериментах и ​​в конечном итоге может вдохновить на создание новых методов управления потоком энергии через наноразмерные структуры, которые могут найти применение в материаловедении и вычислениях с учетом более высокой производительности и устойчивости.

Краевые токи и топологические материалы

Устойчивые краевые токи обычно возникают в так называемых «топологических материалах», названных в честь математической дисциплины топологии , которая классифицирует формы и поверхности в зависимости от того, насколько легко они могут деформироваться друг в друга.

Например, футбольный мяч можно сжать в форме мяча для регби с достаточной силой (при условии, что он не лопнет), поэтому математики говорят, что два мяча имеют одинаковую топологию. Топология шара называется «тривиальной», потому что она очень проста.

Примером нетривиальной топологии является бублик, который нельзя деформировать в шар, не разорвав на части из-за дырки посередине. Кофейные кружки и гири имеют ту же топологию, что и пончик (из-за отверстия в их ручке), что означает, что все три формы могут непрерывно деформироваться друг в друга, не разрывая и не склеивая части вместе.

Внутри материала электрон может иметь много разных энергий в зависимости от его скорости и направления движения. Этот ландшафт возможных энергий образует гипотетическую поверхность, топология которой может быть как тривиальной, так и нетривиальной, такой как шар, бублик или даже более сложные формы.

Недавно описанный эффект

«Существование краевых токов в топологически нетривиальных материалах было известно и понятно на протяжении десятилетий», — говорит Марк Митчисон, доцент Школы физики Тринити, ведущий автор исследования и руководитель группы ToCQS в Тринити. «Но мы не ожидали, что устойчивые краевые токи появятся и в топологически тривиальных системах».

Проф. Митчисон и его коллеги из Мадрида, проф. Анхель Ривас и Мигель-Анхель Мартин Дельгадо показали, что это может произойти, если в системе существует температурный градиент, например, если один конец системы горячее другого.

На циркулирующие краевые токи в значительной степени не влияют дефекты, и, вопреки интуиции, в некоторых местах они переносят энергию против температурного градиента. А как же второй закон термодинамики ? Разве это не запрещает течь энергии от холодного к горячему?

«В целом чистая передача тепла всегда происходит от горячего резервуара к холодному. Второй закон термодинамики никогда не нарушается», — поясняет профессор Митчисон.

«Но локально, на одном краю, ток течет в другом направлении, поэтому существо, живущее на этой поверхности, будет наблюдать очень странную физику! С их точки зрения ток будет течь в неправильном направлении, почти как при просмотре фильма наоборот».

Управление тепловым потоком через небольшие конструкции в настоящее время является горячей темой исследований из-за его многочисленных применений: например, при разработке более энергоэффективных процессоров или элементов схемы для рециркуляции отработанного тепла.

Профессор Митчисон и его коллеги теперь стремятся увидеть, можно ли реализовать аналогичные эффекты в более сложных геометрических формах, применимых к реальным устройствам.