不随波逐流的边缘电流：科学家做出奇特的量子发现

杂质对弱耦合极限电流分布的影响，杂质位置以填充的黑色圆圈标记。红色箭头显示玻色子电流，蓝色箭头显示费米子电流。在所有图中，m=t，Th=t， Tc=0.01t， ω0=10t，μ=ω0 0.1t 图片来源：物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.120403

来自都柏林三一学院和马德里康普顿斯大学的物理学家做出了一个奇特的发现，即能量从较冷的地区转移到较热的地区。

它们描述了量子效应如何迫使流经一块物质的电流在其边缘周围流动，有时甚至违背典型的传热方向。

这项刚刚发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的新研究表明，反直觉的电流非常强大，并且出现在比以前认为的更广泛的材料类别中。

这使得在实验中更容易观察，并最终可以激发控制能量流经纳米级结构的新方法，这些方法可以在材料科学和计算中应用，同时考虑到更好的性能和可持续性。

边流和拓扑材料

鲁棒的边缘电流通常发生在所谓的"拓扑材料"中，该材料以拓扑学的数学学科命名，该学科根据形状和表面相互变形的难易程度对形状和表面进行分类。

例如，一个足球可以用足够的力（假设它不会爆裂）挤压成橄榄球的形状，所以数学家说这两个球具有相同的拓扑结构。球的拓扑被称为"微不足道"，因为它是如此简单。

非平凡拓扑的一个例子是甜甜圈，由于中间的孔，它不能变形成一个球而不将其撕裂。咖啡杯和壶铃具有与甜甜圈相同的拓扑结构（因为它们的手柄上有孔），这意味着所有三种形状都可以连续变形，而不会将部件撕裂或粘合在一起。

在材料内部，电子可以具有许多不同的能量，具体取决于其速度和运动方向。这种可能能量的景观形成了一个假设的表面，其拓扑可以是平凡的，也可以是非平凡的，就像一个球，一个甜甜圈，甚至更复杂的形状。

新描述的效果

"几十年来，拓扑学上非平凡材料中边缘电流的存在已经为人所知和理解，"Trinity物理学院助理教授Mark Mitchison说，他是该研究的主要作者，也是Trinity的ToCQS小组的PI。"但我们没想到在拓扑学上微不足道的系统中也会出现强大的边缘电流。

Mitchison教授和他的同事来自马德里，教授。Ángel Rivas和Miguel-Ángel Martin Delgado表明，如果系统受到温度梯度的影响，例如，如果系统的一端比另一端更热，就会发生这种情况。

循环边缘电流在很大程度上不受缺陷的影响，并且与直觉相反，它们在某些地方根据温度梯度传输能量。但是热力学第二定律呢？这难道不禁止能量从冷流到热吗？

"总体而言，热量的净传递始终是从热水库到冷储层的。热力学第二定律从未被违反，"Mitchison教授澄清道。

"但是在局部，在一个边缘，电流流向另一个方向，所以生活在那个表面上的存在会观察到非常奇怪的物理学！从他们的角度来看，电流会以错误的方式流动，几乎就像在反向观看电影一样。

控制通过小型结构的热流是目前一个热门的研究课题，因为它有许多应用：例如，在设计更节能的处理器或电路元件以回收废热。

Mitchison教授及其同事现在的目标是看看是否可以在更复杂的几何形状中设计类似的效果，与真实设备相关。