Grazie alla simmetria APT (Anti-Parity-Time) nei sistemi diffusivi si è scoperto come confinare il calore

Gli scienziati hanno scoperto come confinare il calore in una regione di spazio, facendo in modo che esso non si propaghi, grazie alla meccanica quantistica.

Quest’immagine mostra che quando l’apparato ruota compiendo mezzo giro al minuto, il sistema sulla sinistra mostra che le parti più calde (in bianco) dell’anello rimangono fisse in basso dopo più secondi dall’inizio del moto. L’immagine sulla destra mostra che le parti più calde dell’anello si sono spostate in un altra regione del bordo dell’anello, in congiunzione con il suo moto rotatorio.

Un rivoluzionario studio condotto dai ricercatori della National University of Singapore (NUS) ha rivelato un metodo, che si serve dell’utilizzo della meccanica quantistica, capace di confinare il calore all’interno di una posizione fissata.

Sistemi diffusivi e l’esperimento

Ciò appare controintuitivo perché si sa che il calore si propaga rispettando delle precise equazioni.

Ordinariamente una sorgente di calore diffonde quest’ultimo all’interno di un materiale finché il calore non viene totalmente dissipato. Il Professore associato Cheng-Wei Qiu del Department of Electrical and Computer Engineering della facoltà di ingegneria del NUS e il suo gruppo di ricerca hanno utilizzato il principio della simmetria APT (Anti-Parity-Time) per mostrare che è possibile confinare il calore in una piccola regione di un anello metallico senza che il calore si diffonda nel tempo dalla zona in cui è stato confinato.

In futuro, questo nuovo fenomeno dimostrato potrebbe essere utilizzato per controllare la diffusione del calore in modi sofisticati e si potrebbe ottimizzare l’efficacia in sistemi che hanno bisogno di essere raffreddati. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Science.

Congelare la diffusione del calore

Immaginando una goccia d’inchiostro all’interno di un liquido che fluisce, dopo un piccolo intervallo di tempo si vedrebbe l’inchiostro diffondersi e fluire nella direzione della corrente nel fluido. S’immagini adesso che questa goccia d’inchiostro mantenga le stesse dimensioni e rimanga nella stessa posizione in cui era posta inizialmente mentre il fluido vi fluisce attorno. Effettivamente questo è ciò che è stato realizzato con la diffusione del calore nel nostro esperimento“. spiega il Professor Qiu.

L’apparato sperimentale di questo studio consiste di due anelli metallici rotanti in versi opposti, tra i quali è inserito un sottile strato di grasso lubrificante. Il moto rotatorio degli anelli si comporta come il flusso del liquido, descritto in precedenza, in questo scenario. Quando viene “iniettato” del calore in un certo punto del sistema, l’energia termica (il calore) è capace di rimanere nella posizione in cui è stato iniettato poiché un anello rotante è accoppiato all’altro anello rotante in verso opposto dal principio della simmetria APT.

Le condizioni di questo esperimento devono essere molto precise al fine di ottenere i risultati desiderati. “Dalla teoria della meccanica quantistica, si può calcolare la velocità necessitata dagli anelli. Se questa fosse troppo bassa o troppo alta, si romperebbero le condizioni che permettono la riuscita dell’esperimento“, afferma il Prof. Qiu. Quando queste precise condizioni sperimentali vengono meno, il sistema si comporta convenzionalmente e il calore viene diffuso man mano che gli anelli ruotano.

Cambia la tendenza

Applicare I principi della simmetria APT ai sistemi che coinvolgono il calore è una divergenza dalla corrente scuola di pensiero in quest’area. “È drasticamente differente dai correnti argomenti di ricerca. In questo campo, più gruppi lavorano utilizzando apparati sperimentali che si basano sulla simmetria PT (Parity-Time), e quasi tutti cercano di osservare fenomeni di meccanica ondulatoria. Questa è la prima volta che qualcuno sia uscito dal dominio delle onde e abbia mostrato che la simmetria APT è applicabile a dei sistemi basati sulla diffusione, così come al calore”. Afferma il Prof. Qiu.

L’idea dell’esistenza di un elemento metallico di area fissata, al cui interno non si hanno moti di diffusione di calore sembra controintuitiva, come afferma il Prof Qiu, “Prima di questi studi, il pensiero generale era che questa fosse un’area proibita, ma noi abbiamo spiegato tutto ciò. Non vi è la violazione di alcuna legge fisica”. In realtà la ragione per cui è risultato possibile controllare la localizzazione del calore è l’introduzione di un ulteriore grado di libertà all’interno del loro ingegnoso apparato sperimentale: il fatto che gli anelli ruotino.

Affinchè la simmetria APT risulti significante in un sistema, occorre che vengano persi alcuni elementi, ed altri guadagnati durante la sistemazione dell’apparato, e questi elementi necessitano di essere bilanciati. In un sistema tradizionale per la diffusione, la simmetria APT non è consequenziale, poiché non vi è un guadagno o una perdita di gradi di libertà. Dunque la rotazione meccanica è la chiave di questo esperimento“, spiega il Prof. Qiu.

Potenziali applicazioni e prossimi passi

Molte tecnologie moderne richiedono un’efficiente rimozione del calore. Gli apparati meccanici, come motori, oppure componenti computazionali o elettrici hanno bisogno di essere raffreddati efficacemente. Al giorno d’oggi, la maggior parte delle tecnologie che lo necessitano vengono raffreddate con un flusso continuo di liquido che rimuove il calore per convezione (come il radiatore in ogni automobile).

Questo esperimento mostra che occorre cautela quando va determinato un tasso di flusso e si progettano questi sistemi” dichiara il Prof Qiu. Nonostante il suo apparato sperimentale contenesse degli anelli metallici contro-rotanti, lo stesso principio può essere applicato per altre configurazioni atte a studiare altri flussi. “La percezione è che la circolazione rimuove il calore da un sistema in modo semplice, ma ciò non è sempre necessario, è abbastanza chiaro” ha aggiunto. In seguito, il team proverà ad ingrandire le dimensioni del loro esperimento. “Al momento il nostro setup è nel range dei centimetri, vogliamo cambiare scala fino alle dimensioni dei motori e meccanismi reali”. I meccanismi ad ingranaggi, come il cambio delle automobili, hanno dei componenti contro-rotanti simili che generano calore, dunque noi desideriamo applicare questa teoria per dissipare il calore dai motori in maniera più efficiente.” Afferma infine il Prof. Qiu.

Filippo Ruberto

 

 

Leave comment

Your email address will not be published. Required fields are marked with *.

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.