Quando um pedaço de material condutor é aquecido em uma de suas extremidades, uma diferença de tensão pode se acumular na amostra, que por sua vez pode ser convertido em uma corrente. Este é o chamado efeito Seebeck, a pedra angular dos efeitos termoelétricos. Em particular, o efeito fornece um caminho para a criação de trabalho a partir de uma diferença de temperatura. Esses motores termoelétricos não têm nenhuma parte móvel e são, portanto, fontes de energia convenientes em várias aplicações, incluindo a propulsão do Mars rover Perseverance da NASA. O efeito Seebeck é interessante para a física fundamental, também, pois a magnitude e o sinal da corrente termoelétrica induzida são características do material e indicam como a entropia e as correntes de carga são acopladas. Escrevendo em Revisão Física X , o grupo do Prof. Tilman Esslinger do Departamento de Física da ETH Zurich agora relata sobre a reversão controlada de tal corrente, alterando a força de interação entre os constituintes de um simulador quântico feito de átomos extremamente frios presos em campos de laser modelados. A capacidade de induzir tal reversão significa que o sistema pode ser transformado de um motor termoelétrico em um refrigerador.

Qual caminho, por favor?

O experimento, conduzido pelo pesquisador doutoral Samuel Häusler e colegas de trabalho do grupo Esslinger, começa com uma nuvem de átomos de lítio fermiônico que são resfriados a temperaturas baixas o suficiente para que os efeitos quânticos determinem o comportamento do conjunto. A nuvem é então separada em duas metades independentes de igual número de átomos. Um deles é aquecido, antes que os dois reservatórios sejam conectados por um canal bidimensional. O estado de equilíbrio que assim se desenvolve é o esperado:depois de um tempo suficientemente longo, as duas metades contêm números de átomos iguais em temperaturas iguais. Mais interessante é o comportamento transitório. Durante o processo de equilíbrio, o número do átomo em cada mudança de reservatório, com os átomos vazando e fluindo entre eles. Em que direção e com que amplitude isso ocorre depende das propriedades termoelétricas do sistema.

Graças ao controle requintado sobre o sistema, os pesquisadores foram capazes de medir os comportamentos transitórios para diferentes intensidades de interação e densidades atômicas dentro do canal e compará-los a um modelo simples. Em contraste com os sistemas de estado sólido, onde a maioria das propriedades termoelétricas podem ser medidas de forma simples, experimentos bem definidos, nessas pequenas nuvens de átomos, os parâmetros são inferidos de quantidades fundamentais, como a densidade do átomo. Encontrar um procedimento que extraia adequadamente as grandezas termoelétricas em uma ampla gama de parâmetros foi um ponto chave do trabalho.

A equipe descobriu que a direção atual resulta de uma competição entre dois efeitos (veja a figura). Por um lado (esquerda), as propriedades termodinâmicas dos reservatórios favorecem o aumento do número de átomos no reservatório quente, para equilibrar os potenciais químicos das duas metades. Por outro lado (direita), as propriedades do canal normalmente fazem o transporte de calor, partículas energéticas mais fáceis, porque eles têm um grande número de caminhos possíveis (ou, modos) disponíveis para eles - levando a um aumento do número de átomos no reservatório frio.

Um regulador de tráfego superfluido

Com um gás sem interação, é possível calcular a tendência dominante entre os dois efeitos concorrentes, uma vez que a forma precisa da nuvem de átomos é conhecida e levada em consideração. No sistema de Häusler et al. isso pode ser feito com muita precisão. Tanto no cálculo quanto nas medições, a corrente do átomo inicial flui do reservatório quente para o frio e é mais forte para baixas densidades atômicas no canal. Quando as interações são sintonizadas com o chamado regime unitário, o comportamento do sistema se torna consideravelmente mais difícil de prever. O cálculo se torna intratável sem amplas aproximações, devido às fortes correlações que se acumulam no gás.

Neste regime, o dispositivo de simulação quântica dos pesquisadores ETH mostrou que, para temperatura média alta o suficiente e baixa densidade de átomos no canal, a corrente também flui do reservatório quente para o frio. Contudo, ele pode ser revertido quando a densidade do canal é aumentada usando um potencial de porta atraente. Acima de um certo limite de densidade, os átomos no canal passam por uma transição de fase onde formam pares que mostram comportamento superfluido. Esta região de superfluido no canal limita o transporte de não pareados, partículas energéticas, favorecendo o transporte do reservatório frio para o quente e consequentemente a reversão da corrente termelétrica.

Rumo a melhores materiais termoelétricos graças às interações

Compreender as propriedades da matéria por meio de medição termoelétrica melhora a compreensão fundamental dos sistemas quânticos em interação. Igualmente importante é identificar novas maneiras de projetar materiais termoelétricos de bom desempenho que poderiam transformar com eficiência pequenas diferenças de calor em trabalho ou, se usado no modo reverso, atua como um dispositivo de resfriamento (conhecido como resfriador Peltier).

A eficiência de um material termoelétrico é caracterizada pela figura de mérito termoelétrica. Häusler et al. mediram um forte aumento do valor desta figura ao aumentar as interações. Embora esse aprimoramento não possa ser traduzido diretamente em ciência material, esta excelente capacidade de resfriamento já poderia ser usada para atingir temperaturas mais baixas para gases atômicos, o que, por sua vez, pode permitir uma ampla gama de novos experimentos fundamentais na ciência quântica.