[論文レビュー] Probing thermoelectric transport with cold atoms

Charles Grenier, Corinna Kollath+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、2端子系における超低温フェルミ粒子系を用いて熱電輸送を探索する手法を提案し、熱的平衡化過程における一時的な粒子数不均衡が、非対角熱電係数を直接示すことを示した。主な結果として、現実的な条件下で全粒子数の10%を超える実験的に測定可能な粒子数不均衡が達成可能であり、T/T_F = 0.4で熱電効率が約50%に達することを示した。

ABSTRACT

We propose experimental protocols to reveal thermoelectric and thermal effects in the transport properties of ultracold fermionic atoms, using the two-terminal setup recently realized at ETH. We show in particular that, for two reservoirs having equal particle numbers but different temperatures initially, the observation of a transient particle number imbalance during equilibration is a direct evidence of thermoelectric (off-diagonal) transport coefficients. This is a time-dependent analogue of the Seebeck effect, and a corresponding analogue of the Peltier effect can be proposed. We reveal that in addition to the thermoelectric coupling of the constriction a thermoelectric coupling also arises due to the finite dilatation coefficient of the reservoirs. We present a theoretical analysis of the protocols, and assess their feasibility by estimating the corresponding temperature and particle number imbalances in realistic current experimental conditions.

研究の動機と目的

• 時間依存プロトコルを用いて、超低温原子ガスにおける実験的に観測可能な熱電効果を実証すること。
• 熱的平衡化過程における一時的な粒子数不均衡を通じて、SeebeckおよびPeltierの類似係数である非対角輸送係数を明らかにすること。
• 貯蔵槽の体積膨張係数と狭窄部の輸送特性が、測定可能な熱電応答を生成する役割を定量化すること。
• 非相互作用フェルミ粒子を用いた現在の実験的セットアップで、これらの効果を観測可能かどうかを評価すること。
• フォノンの寄与がない高温度電子輸送を研究するためのクリアなプラットフォームを提供すること。これは相関材料に関連する。

提案手法

• 最近の実験で実現されたように、2つの貯蔵槽で構成される2端子系を用い、可変な狭窄部で接続された超低温フェルミ粒子系を採用する。
• Onsager行列 L を介して、粒子流およびエントロピー流を温度差および化学ポテンシャル差に関連付ける線形応答理論を適用する。
• 有限な体積膨張係数 α を持つ3次元調和的に閉じ込められた非相互作用フェルミガスとして貯蔵槽をモデル化する。
• 横方向の閉じ込めがある・ないを含めた2次元のバルクおよび拡산的狭窄部における輸送係数を分析する。
• 熱電応答を定量化するための次元なしの効率パラメータ η = (ΔN(t_max)/N₀) · (T_F / ΔT₀) を導入する。
• 現実的な実験的パラメータ下での粒子数およびエントロピー不均衡を推定するために数値シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的平衡化過程における一時的な粒子数不均衡は、非対角熱電輸送係数の直接的な実験的シグナルとして機能するか？
• RQ2 冷たい原子系における熱電応答は、フェルミ温度 T_F に対してどのように温度依存性を示すか？
• RQ3 貯蔵槽の体積膨張効果は、狭窄部そのものよりも、観測される熱電結合にどの程度寄与するか？
• RQ4 現在の実験的条件下で達成可能な最大の粒子数不均衡および熱電効率は何か？
• RQ5 幾何的および輸送特性（バルク対拡散、横方向の閉じ込めの有無）は、熱電信号の大きさにどのように影響するか？

主な発見

• 現実的な実験的条件下で、全粒子数 N₀ の10%を超える一時的な粒子数不均衡が達成可能であり、実験的に検出可能である。
• T/T_F = 0.4 において、熱電効率 η は約50%に達し、これは N₀ = 100,000 および ΔT₀/T_F = 0.2 の場合に約10,000 個の最大粒子数不均衡に対応する。
• 熱電応答は、狭窄部の輸送特性と貯蔵槽の有限な体積膨張係数の両方の寄与によって生じる。
• 横方向の閉じ込めがある2次元バルク狭窄部では、貯蔵槽と狭窄部の寄与が完全にキャンセルされ、η ≈ 0 となることが示され、熱電効果が強く抑制されることを示している。
• Lorenz数 L および熱力学的係数 ℓ が定量的に評価され、T/T_F の範囲で強い温度依存性を示している。
• 提案されたプロトコルは、現実的なパラメータ下での信号振幅の推定により、現在の実験的セットアップで実現可能であることが確認された。