Físicos do Trinity College Dublin e da Universidad Complutense de Madrid fizeram uma descoberta peculiar na qual a energia se move de uma região mais fria para uma mais quente.
Eles descrevem como um efeito quântico força a corrente que passa por um pedaço de matéria a fluir em torno de suas bordas e, às vezes, contra a direção típica de transferência de calor.

A nova pesquisa - acaba de ser publicada na revista Physical Review Letters — mostra que a corrente contra-intuitiva é notavelmente robusta e surge em uma classe mais ampla de materiais do que se acreditava anteriormente.

Isso facilita a observação em experimentos e pode eventualmente inspirar novos métodos para controlar o fluxo de energia através de estruturas em nanoescala, que podem ter aplicações em ciência de materiais e computação com melhor desempenho e sustentabilidade em mente.

Correntes de borda e materiais topológicos

Correntes de borda robustas normalmente ocorrem nos chamados "materiais topológicos", em homenagem à disciplina matemática da topologia, que classifica formas e superfícies de acordo com a facilidade com que podem ser deformadas umas nas outras.

Por exemplo, uma bola de futebol pode ser espremida na forma de uma bola de rugby com força suficiente (supondo que ela não estoure), então os matemáticos dizem que as duas bolas têm a mesma topologia. A topologia de uma bola é chamada de "trivial" porque é muito simples.

Um exemplo de topologia não trivial é uma rosquinha, que não pode ser deformada em uma bola sem rasgá-la devido ao buraco no meio. Canecas de café e kettlebells têm a mesma topologia de um donut (por causa do furo na alça), o que significa que todas as três formas podem ser continuamente deformadas umas nas outras sem rasgar ou colar as peças.

Dentro de um material, um elétron pode ter muitas energias diferentes, dependendo de sua velocidade e direção de movimento. Essa paisagem de energias possíveis forma uma superfície hipotética cuja topologia pode ser trivial ou não trivial, como uma bola, um donut ou formas ainda mais complexas.

O efeito recém-descrito

“A existência de correntes de borda em materiais topologicamente não triviais é conhecida e compreendida há décadas”, diz Mark Mitchison, professor assistente na Escola de Física da Trinity, principal autor do estudo e PI do grupo ToCQS na Trinity. "Mas não esperávamos ver correntes de borda robustas também em sistemas topologicamente triviais."

Prof. Mitchison e seus colegas de Madrid, Profs. Ángel Rivas e Miguel-Ángel Martin Delgado, mostraram que isso pode acontecer se o sistema estiver sujeito a um gradiente de temperatura, e.g. se uma extremidade do sistema estiver mais quente que a outra.

As correntes de borda circulantes não são afetadas por defeitos e, contra-intuitivamente, elas transportam energia contra o gradiente de temperatura em alguns lugares. Mas e a segunda lei da termodinâmica? Isso não proíbe que a energia flua do frio para o quente?

"A transferência total líquida de calor é sempre do reservatório quente para o frio. A segunda lei da termodinâmica nunca é violada", esclarece o Prof. Mitchison.

"Mas localmente, em uma borda, a corrente flui na outra direção, então um ser que vive naquela superfície observaria uma física muito estranha! A corrente estaria fluindo na direção errada de sua perspectiva, quase como assistir a um filme ao contrário."

O controle do fluxo de calor através de pequenas estruturas é atualmente um tópico de pesquisa importante devido às suas muitas aplicações:por exemplo, no projeto de processadores ou elementos de circuito com maior eficiência energética para reciclagem de calor residual.

O Prof. Mitchison e seus colegas agora pretendem ver se efeitos semelhantes podem ser projetados em geometrias mais complexas, relevantes para dispositivos reais. + Explorar mais

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