|
Σε μια ιδιόμορφη κβαντομηχανική διάταξη, ένα μαγνητικό πεδίο
μπορεί να ελέγχει τη ροή θερμότητας κατά μήκος ενός συρμάτινου δακτυλίου.
Η θερμότητα μεταφέρεται από τα ηλεκτρόνια τα οποία συμπεριφέρονται ως
κβαντικά κύματα. Τα κύματα αυτά λοιπόν μπορούν να συμβάλλουν πάνω στον
συρμάτινο δακτύλιο και να ενισχύουν ή να μειώνουν τη ροή θερμότητας,
ανάλογα με την ένταση του μαγνητικού πεδίου που εφαρμόζουμε στον δακτύλιο.
Η εργασία αυτή εμφανίστηκε στο περιοδικό Physical Review
Letters του περασμένου Απριλίου. Τα αρχικά πειράματα που έγιναν
επιβεβαιώνουν την πρόβλεψη. Κατά περίεργο τρόπο, καθώς τα ηλεκτρόνια
μεταφέρουν την θερμότητα δια μέσω της συσκευής, δεν εμφανίζεται ηλεκτρικό
ρεύμα να διαρρέει το κύκλωμα.
Εδώ και δεκαετίες οι φυσικοί γνωρίζουν ότι ένα μαγνητικό
πεδίο μπορεί να επηρεάσει τη ροή του ρεύματος μέσα σε ένα σύρμα, το οποίο
διαχωρίζει το ρεύμα και το ξανα-ενώνει σαν ένα κυκλοφοριακό δακτύλιο σε
μια μεγάλη οδική αρτηρία. Γνωστό ως φαινόμενο Aharonov-Bohm, το φαινόμενο
αυτό συμβαίνει επειδή κάθε ηλεκτρόνιο περιγράφεται από ένα κβαντικό κύμα
το οποίο διαχωρίζεται κατά τρόπο ώστε το μισό από αυτό πηγαίνει προς τη
μια μεριά του δακτυλίου και το άλλο μισό προς την άλλη κατεύθυνση. Η
κυματική αυτή συμπεριφορά της ύλης συναντάται και σε άλλα πειράματα όπως
το πείραμα των δύο σχισμών. Όταν τα δύο κύματα ξανασυνθέτονται στο
αντιδιαμετρικό σημείο του δακτυλίου, μπορούν να επικαλύπτονται κορυφή του
ενός με κορυφή του άλλου και να δίνουν μέγιστο ρεύμα, είτε κορυφή του ενός
με κοιλάδα του άλλου και να δίνουν ελάχιστο ρεύμα.
Ο τρόπος με τον οποίο θα συναντηθούν τα κύματα εξαρτάται από την ένταση
του μαγνητικού πεδίου που διαπερνά τον δακτύλιο. Το πεδίο αλλάζει τη φάση
των δύο κυμάτων που διαδίδονται προς αντίθετες φορές στο δακτύλιο και
μετατοπίζει έτσι τις κορυφές τους κατά διαφορετική ποσότητα. Παραδόξως, το
πεδίο μπορεί να μετατοπίσει τις φάσεις των κυμάτων ακόμη και αν
περιορίζεται στην τρύπα του δακτυλίου και δεν υπάρχει καθόλου μαγνητικό
πεδίο εντός του μετάλλου του σύρματος μέσα από το οποίο περνάνε τα
ηλεκτρόνια. Η κβαντομηχανική επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να αισθάνονται το
πεδίο αν και δεν περνάνε μέσα από αυτό.
Τα ηλεκτρόνια όμως έχουν και σωματιδιακή συμπεριφορά και μπορούν να
μεταφέρουν ενέργεια και θερμότητα καθώς πηγαίνουν από το θερμότερο προς το
ψυχρότερο σημείο ενός σύρματος. Και ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να
επηρεάσει τη ροή θερμότητας μέσα από το σύρμα με τον ίδιο τρόπο που
επηρεάζει και τη ροή του ρεύματος όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Τους σχετικούς
υπολογισμούς έκαναν οι Zhigang Jiang και Venkat Chandrasekar του
πανεπιστημίου Northwestern στο Evanston του Illinois. Οι ερευνητές
ανέλυσαν τη συμπεριφορά μιας συσκευής που είναι γνωστή ως συμβολόμετρο
Andreev --ουσιαστικά ένα σύρμα μήκους λίγων μικρομέτρων με ένα δακτύλιο
από υπεραγώγιμο υλικό κολλημένο πάνω στο σύρμα σαν μια ευθεία οδό η οποία
τσυναντάει έναν εθνικό δρόμο και γι αυτό αναγκάζονται τα αυτοκίνητα να
διαγράψουν ένα κύκλο και να ξαναβρεθούν στο ίδιο σημείο από την άλλη μεριά
του εθνικού δρόμου. Τα ηλεκτρόνια στο υπεραγώγιμο υλικό έχουν κυματική
συμπεριφορά η οποία είναι ευκολότερο να ανιχνευτεί απ' ότι στο συνηθισμένο
μέταλλο.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, τα κύματα των ηλεκτρονίων κάνοντας τη
διαδρομή γύρω από τον υπεραγώγιμο δακτύλιο αποσβένυνται ή ενισχύονται
μεταξύ τους όταν ξανασυναντιούνται στο σημείο επί του κυρίως σύρματος.
Τέτοιου είδους συμβολή περιορίζει τον αριθμό των κβαντικών καταστάσεων
στις οποίες μπορούν να βρεθούν τα ηλεκτρόνια εντός του συνηθισμένου
μετάλλου όταν διασχίζουν την ένωση υπεραγωγού και σύρματος. Αυτό με τη
σειρά του περιορίζει τη ροή θερμότητας ακριβώς όπως ο κλειστός βρόχος του
τοπικού δρόμου περιορίζει τη ροή κυκλοφορίας της εθνικής οδού όταν
συναντιούνται.
Έτσι, καθώς το μαγνητικό πεδίο αυξάνει, η ροή της θερμότητας
από το πιο θερμό άκρο του σύρματος προς το πιο ψυχρό άκρο, αυξάνει και
μειώνεται διαδοχικά, όπως ακριβώς συμπεριφέρεται και το ηλεκτρικό ρεύμα
στο φαινόμενο Aharonov-Bohm.
Εδώ όμως δεν έχουμε τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Ένας εκ των
ερευνητών, ο Chandrasekhar λέει: "Βασικά τα ηλεκτρόνια πηγαίνουν από το
ένα άκρο στο άλλο, δίνουν τη θερμότητα και επιστρέφουν πίσω χωρίς να
υπάρχει καθαρή ροή ηλεκτρικού φορτίου." Στα προκαταρκτικά πειράματα οι
ερευνητές είδαν τις προβλεπόμενες ταλαντώσεις της ροής θερμότητας [1].
Από πρώτη άποψη, ο υπεραγώγιμος δακτύλιος και το μαγνητικό πεδίο
εμφανίζονται εμφανίζονται να είναι άσχετα κι έτσι το αποτέλεσμα προκαλεί
έκπληξη, λέει ο Dan Prober του πανεπιστημίου Yale. Ο Dan Prober παρατηρεί
ότι για να παρατηρήσει το λεπτό αυτό φαινόμενο ο Chandrasekhar αναγκάστηκε
να συνενώσει διαφορετικές πειραματικές τεχνικές. "Κάνει κομψά, σκληρά και
μερικές φορές τρελά πειράματα" λέει ο Prober.
Αναφορές:
[1] Z. Jiang and V. Chandrasekhar, "Quantitative measurements of the
thermal resistance of Andreev interferometers,"
http://www.arxiv.org/abs/cond-mat/0501478
|
