Lorsqu'un morceau de matériau conducteur est chauffé à l'une de ses extrémités, une différence de tension peut s'accumuler dans l'échantillon, qui à son tour peut être converti en courant. C'est ce qu'on appelle l'effet Seebeck, la pierre angulaire des effets thermoélectriques. En particulier, l'effet fournit un moyen de créer du travail à partir d'une différence de température. De tels moteurs thermoélectriques n'ont aucune partie mobile et sont donc des sources d'énergie commodes dans diverses applications, y compris la propulsion du rover martien Perseverance de la NASA. L'effet Seebeck est intéressant pour la physique fondamentale, trop, car l'amplitude et le signe du courant thermoélectrique induit sont caractéristiques du matériau et indiquent comment les courants d'entropie et de charge sont couplés. Écrire dans Examen physique X , le groupe du professeur Tilman Esslinger du département de physique de l'ETH Zurich rapporte maintenant l'inversion contrôlée d'un tel courant en modifiant la force d'interaction entre les constituants d'un simulateur quantique fait d'atomes extrêmement froids piégés dans des champs laser façonnés. La capacité d'induire une telle inversion signifie que le système peut être transformé d'un moteur thermoélectrique en un refroidisseur.

Par quel chemin s'il vous plait ?

L'expérience, menée par le doctorant Samuel Häusler et des collaborateurs du groupe Esslinger, commence par un nuage d'atomes de lithium fermioniques qui sont refroidis à des températures suffisamment basses pour que les effets quantiques déterminent le comportement de l'ensemble. Le nuage est ensuite séparé en deux moitiés indépendantes de même nombre d'atomes. L'un d'eux est chauffé, avant que les deux réservoirs ne soient reliés par un canal bidimensionnel. L'état d'équilibre qui se développe ainsi est celui attendu :après un temps suffisamment long, les deux moitiés contiennent des nombres d'atomes égaux à des températures égales. Plus intéressant est le comportement transitoire. Pendant le processus d'équilibrage, le nombre d'atomes dans chaque réservoir change, avec les atomes refluant et circulant entre eux. Dans quelle direction et avec quelle amplitude cela se produit dépend des propriétés thermoélectriques du système.

Grâce au contrôle exquis du système, les chercheurs ont pu mesurer les comportements transitoires pour différentes forces d'interaction et densités atomiques à l'intérieur du canal et les ont comparés à un modèle simple. Contrairement aux systèmes à semi-conducteurs, où la plupart des propriétés thermoélectriques peuvent être mesurées en simple, des expériences bien définies, dans ces petits nuages ​​d'atomes, les paramètres sont déduits de quantités fondamentales telles que la densité atomique. Trouver une procédure qui extrait correctement les quantités thermoélectriques sur une large gamme de paramètres était un point clé du travail.

L'équipe a constaté que la direction actuelle résulte d'une compétition entre deux effets (voir la figure). D'une part (à gauche), les propriétés thermodynamiques des réservoirs favorisent l'augmentation du nombre d'atomes dans le réservoir chaud, équilibrer les potentiels chimiques des deux moitiés. Par contre (à droite), les propriétés du canal rendent typiquement le transport de chaud, particules énergétiques plus faciles, car elles ont un grand nombre de voies possibles (ou, modes) à leur disposition, ce qui entraîne une augmentation du nombre d'atomes dans le réservoir froid.

Un régulateur de trafic superflu

Avec un gaz sans interaction, il est possible de calculer la tendance dominante entre les deux effets concurrents une fois que la forme précise du nuage d'atomes est connue et prise en compte. Dans le système de Häusler et al. cela peut être fait très précisément. Tant dans le calcul que dans les mesures, le courant atomique initial circule du réservoir chaud vers le réservoir froid et est plus fort pour les faibles densités atomiques dans le canal. Lorsque les interactions s'accordent au régime dit unitaire, le comportement du système devient considérablement plus difficile à prévoir. Le calcul devient insoluble sans approximations étendues, en raison des fortes corrélations qui s'accumulent dans le gaz.

Dans ce régime, le dispositif de simulation quantique des chercheurs de l'ETH a montré que pour une température moyenne suffisamment élevée et une faible densité atomique dans le canal, le courant circule également du réservoir chaud vers le réservoir froid. Cependant, elle peut être inversée lorsque la densité de canal est augmentée en utilisant un potentiel de grille attractif. Au-dessus d'un certain seuil de densité, les atomes dans le canal subissent une transition de phase où ils forment des paires montrant un comportement superfluide. Cette région superfluide dans le canal limite le transport de non appariés, particules énergétiques, favorisant le transport du réservoir froid vers le réservoir chaud et donc l'inversion du courant thermoélectrique.

Vers de meilleurs matériaux thermoélectriques grâce aux interactions

La compréhension des propriétés de la matière par la mesure thermoélectrique améliore la compréhension fondamentale des systèmes quantiques en interaction. Il est tout aussi important d'identifier de nouvelles façons de concevoir des matériaux thermoélectriques performants qui pourraient transformer efficacement de petites différences de chaleur en travail ou, s'il est utilisé en mode inverse, agir comme un dispositif de refroidissement (appelé refroidisseur Peltier).

L'efficacité d'un matériau thermoélectrique est caractérisée par la figure de mérite thermoélectrique. Häusler et al. ont mesuré une forte augmentation de la valeur de ce chiffre lors de la montée en puissance des interactions. Bien que cette amélioration ne puisse pas être directement traduite en science des matériaux, cette excellente capacité de refroidissement pourrait déjà être utilisée pour atteindre des températures plus basses pour les gaz atomiques, ce qui à son tour pourrait permettre un large éventail de nouvelles expériences fondamentales en science quantique.