Propiedades quirales de la propagación del calor

El efecto Hall cuántico se observa en semiconductores bidimensionales a bajas temperaturas (100mK) y campos magnéticos intensos. La resistencia que, en el efecto Hall clásico, se mide transversalmente a la inyección de una corriente, aparece cuantizada en múltiplos inversos de h/e2. En estas regiones, la propagación de los electrones se halla restringida a los bordes de la muestra y se dice que es quiral porque el sentido de su movimiento está dado por la dirección del campo magnético: los electrones fluyen en direcciones contrarias a lo largo de bordes opuestos.

Las propiedades de los flujos de energía en estos sistemas han sido poco investigadas hasta la fecha. En dos artículos recientes, investigamos las propiedades peculiares del transporte termoeléctrico y de calor en conductores de tres terminales. Dicha geometría permite indagar en los mecanismos relevantes para (i) los procesos de reciclaje de calor residual y (ii) la rectificación de los flujos de calor.

En el primer caso (i), una de las terminales se encuentra a una temperatura elevada por estar conectada a una fuente de calor. Por lo tanto, inyecta calor, pero no carga en el sistema. Las otras dos terminales (izda. Y dcha. En la figura) se encuentran a la misma temperatura y conforman el circuito en el que fluye la corriente eléctrica. En ausencia de un campo magnético, una corriente se generará entre las dos terminales conductoras cuando los procesos de difusión en el sistema rompen las simetrías de inversión izquierda-derecha y electrón-hueco. Esto se consigue introduciendo al menos dos barreras consistentes, por ejemplo, en contactos cuánticos o de efecto túnel resonante. Sin embargo, en el régimen de Hall cuántico, la primera simetría no es necesaria por la propagación quiral de los electrones, y sólo una barrera es necesaria. Por otra parte, la corriente generada será finita o nula, dependiendo de su posición respecto a la fuente de calor y de la dirección del campo magnético (ver figura).

Una consecuencia importante es que los coeficientes de Seebeck y de Peltier, que caracterizan la respuesta termoeléctrica y cuyo cociente sin campo magnético viene dado por la temperatura (por la relación de Onsager), aquí puede diverger.

En el segundo caso (ii), la rectificación del calor aparece cuando la corriente de calor en una terminal del conductor (ej. la izqda.) en respuesta a un aumento de la temperatura en la terminal opuesta (la dcha.) es distinta al caso contrario. En el régimen lineal, esto no es posible en sistemas de dos terminales. En nuestro caso, cuando el sistema está totalmente abierto al transporte, la tercera terminal absorbe electrones de sólo una de las terminales. Por lo tanto, actúa como sumidero del calor inyectado en una de las terminales, pero no de la otra. De esta forma, la dimensión del coeficiente de rectificación térmica es órdenes de magnitud distinto de la unidad, haciendo que nuestra configuración se comporte como un diodo de calor ideal (incluso en el régimen de respuesta lineal).

En un trabajo más reciente, hemos comprobado que las propiedades quirales anteriormente descritas, a pesar de depender crucialmente en la coherencia de fase de los portadores, sobreviven a la presencia de dispersión inelástica.

RafaelSanchez-TermoelectricosHall

Chiral thermoelectrics with quantum Hall edge states, Rafael Sánchez, Björn Sothmann, Andrew N. Jordan, Phys. Rev. Lett. 114, 146801 (2015)

Heat diode and engine based on quantum Hall edge states, Rafael Sánchez, Björn Sothmann, Andrew N. Jordan, New J. Phys. 17, 075006 (2015)

Effect of incoherent scattering on three-terminal quantum Hall thermoelectrics, Rafael Sánchez, Björn Sothmann, Andrew N. Jordan, arXiv:1507.00162

Rafael Sánchez (ICMM-CSIC)