Físicos del Trinity College Dublin y de la Universidad Complutense de Madrid han hecho un peculiar descubrimiento en el que la energía se mueve de una región más fría a una más caliente.
Describen cómo un efecto cuántico obliga a la corriente que pasa a través de una pieza de materia a fluir alrededor de sus bordes y, a veces, en contra de la dirección típica de transferencia de calor.
La nueva investigación, publicada en la revista Physical Review Letters, muestra que esta corriente contraria a la intuición es notablemente sólida y surge en una clase de materiales más amplia de lo que se creía anteriormente.
Esto hace que sea más fácil de observar en los experimentos y eventualmente podría inspirar nuevos métodos para controlar el flujo de energía a través de estructuras a nanoescala, que podrían tener aplicaciones en la ciencia de los materiales y la computación con un mejor rendimiento y sostenibilidad en mente.
Las corrientes de borde robustas ocurren típicamente en los llamados «materiales topológicos», llamados así por la disciplina matemática de la topología, que clasifica formas y superficies según la facilidad con la que se pueden deformar entre sí.
Por ejemplo, una pelota de fútbol se puede aplastar en la forma de una pelota de rugby con suficiente fuerza (suponiendo que no reviente), por lo que los matemáticos dicen que las dos pelotas tienen la misma topología. La topología de una pelota se llama «trivial» porque es muy simple.
Un ejemplo de topología no trivial es una rosquilla, que no se puede deformar en una bola sin romperla debido al agujero en el medio. Las tazas de café y las pesas rusas tienen la misma topología que una rosquilla (debido al orificio que atraviesa el asa), lo que significa que las tres formas se pueden deformar continuamente entre sí sin rasgar o pegar partes.
Dentro de un material, un electrón puede tener muchas energías diferentes dependiendo de su velocidad y dirección de movimiento. Este paisaje de energías posibles forma una superficie hipotética cuya topología puede ser trivial o no trivial, como una pelota, una rosquilla o incluso formas más complejas.
«La existencia de corrientes de borde en materiales topológicamente no triviales se conoce y comprende desde hace décadas», dice Mark Mitchison, profesor asistente en la Escuela de Física de Trinity, autor principal del estudio e IP del grupo ToCQS en Trinity. «Pero tampoco esperábamos ver corrientes de borde robustas en sistemas topológicamente triviales».
Mitchison y sus colegas de Madrid, los profesores Ángel Rivas y Miguel-Ángel Martín Delgado, demostraron que esto puede suceder si el sistema está sujeto a un gradiente de temperatura: si un extremo del sistema está más caliente que el otro.
Las corrientes de borde circulantes no se ven afectadas en gran medida por los defectos y, contrariamente a la intuición, transportan energía contra el gradiente de temperatura en algunos lugares. Pero, ¿qué pasa con la segunda ley de la termodinámica? ¿No prohíbe que la energía fluya de lo frío a lo caliente?
«La transferencia neta general de calor es siempre del depósito caliente al frío. La segunda ley de la termodinámica nunca se viola», aclara el profesor Mitchison.
«Pero localmente, en un borde, la corriente fluye en la otra dirección, por lo que un ser que vive en esa superficie observaría una física muy extraña. La corriente estaría fluyendo en sentido contrario desde su perspectiva, casi como si estuviera viendo una película al revés».
El control del flujo de calor a través de pequeñas estructuras es actualmente un tema candente de investigación debido a sus múltiples aplicaciones: por ejemplo, en el diseño de procesadores o elementos de circuitos más eficientes energéticamente para reciclar el calor residual.
Mitchison y sus colegas ahora tienen como objetivo ver si se pueden diseñar efectos similares en geometrías más complejas, relevantes para dispositivos reales.
