Efecto Nernst cuántico

En conductores electrónicos, el efecto Nernst describe la aparición de un voltaje transversal a una corriente de calor en presencia de un campo magnético perpendicular a ambos. Este efecto, íntimamente relacionado con el efecto Hall , es debido a la fuerza de Lorentz ejercida por el campo sobre los electrones. Como resultado, el calor excedente es transformado en potencia eléctrica que alimente un circuito adicional contactado a los laterales del sistema.

En este trabajo proponemos la realización de un generador termoeléctrico basado en el efecto Nernst en el régimen cuántico. En el efecto Hall cuántico, la circulación de electrones queda restringida a los llamados estados de borde, paralelos a las paredes laterales del sistema, y en los que la propagación es quiral. Esto es, el sentido de la circulación de los electrones viene determinado por la dirección del campo magnético y no está afectada por la presencia de impurezas o defectos del material.

La propuesta saca partido de estas propiedades para mejorar el rendimiento termoeléctrico del efecto  Nernst. El sistema consiste en un gas electrónico bidimensional confinado en una geometría con cuatro contactos. Dos de ellos sirven para inyectar una corriente de calor mediante la aplicación de un gradiente de temperaturas. La respuesta termoeléctrica es medida en forma de una corriente entre los otros dos contactos. Dicha respuesta depende de que haya intercambio de energía entre los distintos canales. Tal interacción es controlable mediante voltajes puntuales que modulan la geometría del sistema de forma que los electrones pueden ser transferidos de un borde a otro por efecto túnel.  La propagación quiral de los electrones permite encontrar configuraciones que optimizan la eficiencia de la conversión de calor en corriente para la configuración en la que la potencia extraída es máxima, lo que supone una mejora de la versión cuántica con respecto a la clásica.
(Adaptado de un texto publicado en Revista de Física de la Real Sociedad Española de Física 28(4), diciembre 2014)

Conductor en el régimen de Hall cuántico. Dos terminales inyectan una corriente de calor que es transformada en corriente eléctrica en las otras dos terminales. Rafael Sánchez. ICMM-CSIC.

Conductor en el régimen de Hall cuántico. Dos terminales inyectan una corriente de calor que es transformada en corriente eléctrica en las otras dos terminales. Rafael Sánchez. ICMM-CSIC.

Quantum Nernst engines

Rafael Sánchez