Des physiciens du Trinity College de Dublin et de l'Universidad Complutense de Madrid ont fait une découverte particulière dans laquelle l'énergie se déplace d'une région plus froide vers une région plus chaude.

Ils décrivent comment un effet quantique force le courant traversant un morceau de matière à circuler autour de ses bords et parfois contre la direction typique du transfert de chaleur.

La nouvelle recherche vient d'être publiée dans la revue Physical Review Letters — montre que le courant contre-intuitif est remarquablement robuste et se produit dans une classe de matériaux plus large que ce que l'on croyait auparavant.

Cela facilite l'observation dans les expériences et pourrait éventuellement inspirer de nouvelles méthodes pour contrôler le flux d'énergie à travers des structures à l'échelle nanométrique, qui pourraient avoir des applications en science des matériaux et en informatique avec de meilleures performances et durabilité à l'esprit.

Courants de bord et matériaux topologiques

Les courants de bord robustes se produisent généralement dans les "matériaux topologiques", nommés d'après la discipline mathématique de la topologie, qui classe les formes et les surfaces en fonction de la facilité avec laquelle elles peuvent être déformées les unes dans les autres.

Par exemple, un ballon de football peut être écrasé en forme de ballon de rugby avec suffisamment de force (en supposant qu'il n'éclate pas), alors les mathématiciens disent que les deux balles ont la même topologie. La topologie d'une balle est dite "triviale" car elle est si simple.

Un exemple de topologie non triviale est un beignet, qui ne peut pas être déformé en boule sans le déchirer en raison du trou au milieu. Les tasses à café et les kettlebells ont la même topologie qu'un beignet (à cause du trou dans leur poignée), ce qui signifie que les trois formes peuvent toutes être continuellement déformées les unes dans les autres sans déchirer ou coller des pièces ensemble.

À l'intérieur d'un matériau, un électron peut avoir de nombreuses énergies différentes en fonction de sa vitesse et de sa direction de mouvement. Ce paysage d'énergies possibles forme une surface hypothétique dont la topologie peut être triviale ou non, comme une boule, un beignet, ou même des formes plus complexes.

L'effet nouvellement décrit

"L'existence de courants de bord dans des matériaux topologiquement non triviaux est connue et comprise depuis des décennies", déclare Mark Mitchison, professeur adjoint à la Trinity's School of Physics, auteur principal de l'étude et chercheur principal du groupe ToCQS de Trinity. "Mais nous ne nous attendions pas à voir des courants de bord robustes apparaître également dans des systèmes topologiquement triviaux."

Prof. Mitchison et ses collègues de Madrid, Profs. Ángel Rivas et Miguel-Ángel Martin Delgado, ont montré que cela peut se produire si le système est soumis à un gradient de température, par ex. si une extrémité du système est plus chaude que l'autre.

Les courants de bord circulants ne sont en grande partie pas affectés par les défauts et, contre toute attente, ils transportent de l'énergie contre le gradient de température à certains endroits. Mais qu'en est-il de la deuxième loi de la thermodynamique ? Cela n'empêche-t-il pas l'énergie de passer du froid au chaud ?

"Le transfert global et net de chaleur s'effectue toujours du réservoir chaud vers le réservoir froid. La deuxième loi de la thermodynamique n'est jamais violée", précise le professeur Mitchison.

"Mais localement, sur un bord, le courant circule dans l'autre sens, donc un être qui vit sur cette surface observerait une physique très étrange ! Le courant circulerait dans le mauvais sens de son point de vue, presque comme si on regardait un film à l'envers."

Le contrôle du flux de chaleur à travers de petites structures est actuellement un sujet de recherche brûlant en raison de ses nombreuses applications :par exemple, dans la conception de processeurs plus économes en énergie ou d'éléments de circuit pour recycler la chaleur perdue.

Le professeur Mitchison et ses collègues visent maintenant à voir si des effets similaires peuvent être conçus dans des géométries plus complexes, pertinentes pour les appareils réels. + Explorer plus loin

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