Brud på Wiedemann-Franz-loven

En undersøgelse, der undersøger koblingen mellem varme og partikelstrømme i en gas med stærkt interagerende atomer, fremhæver kvantekorrelationernes grundlæggende rolle i transportfænomener, bryder Wiedemann-Franz-loven, og bør åbne op for en eksperimentel rute til test af nye ideer til termoelektriske enheder.

Fra hverdagens erfaring, vi ved, at metaller er gode ledere til elektricitet og varme - tænk induktiv madlavning eller elektroniske enheder, der varmer op ved intens brug. Den intime forbindelse mellem varme og elektrisk transport er ingen tilfældighed. I typiske metaller, begge former for ledningsevne stammer fra strømmen af ​​frie elektroner, som bevæger sig som en gas af uafhængige partikler gennem materialet. Men når fermioniske bærere som elektroner interagerer med hinanden, så kan uventede fænomener opstå, som rapporteret i denne uge i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences . At studere varme- og partikelledning i et system af stærkt interagerende fermioniske atomer, et forskningssamarbejde, herunder Dominik Husmann fra ETH Zürich, fandt en række forvirrende adfærd, der adskilte dette system fra kendte systemer, hvor de to transportformer er koblet.

I metaller, forbindelsen mellem termisk og elektrisk ledningsevne er beskrevet af Wiedemann-Franz lov, som først blev formuleret i 1853. I sin moderne form, loven siger, at ved en fast temperatur, forholdet mellem de to typer ledningsevne er konstant. Værdien af ​​dette forhold er ret universel, være den samme for en bemærkelsesværdig bred vifte af metaller og betingelser. Denne universalitet bryder sammen, imidlertid, når transportørerne interagerer med hinanden. Dette er blevet observeret i en håndfuld eksotiske metaller, der er vært for stærkt korrelerede elektroner. Men Husmann og kolleger har nu undersøgt fænomenet i et system, hvor de havde udsøgt kontrol over alle relevante parametre, gør det muligt for dem at overvåge partikel- og varmetransport i hidtil uset detalje.

Ren transport

Bærerne i deres eksperimenter er fermioniske lithiumatomer, som forskerne afkølede til sub-mikro-kelvin temperaturer og fangede ved hjælp af laserstråler. I første omgang, de begrænsede et par hundrede tusinde af disse atomer til to uafhængige reservoirer, der kan opvarmes individuelt. Når først en temperaturforskel mellem de to reservoirer blev konstateret, de åbnede en lille begrænsning mellem dem-en såkaldt kvantepunktskontakt-og initierede dermed transport af partikler og varme (se figuren). Transportkanalen defineres og styres ved hjælp af laserlys, såvel. Forsøget giver derfor en ekstraordinær ren platform til at studere fermionisk transport. For eksempel, i ægte materialer, gitteret, hvorigennem elektronstrømmen begynder at smelte ved høje temperaturer. I modsætning, i den kolde atomopsætning, med strukturerne defineret af lys, ingen sådan 'gitteropvarmning' forekommer, gør det muligt at fokusere på bærerne selv.

Da Husmann et al. bestemt forholdet mellem termisk og partikel ledningsevne i deres system, de fandt den til at være en størrelsesorden under Wiedemann-Franz-lovens forudsigelser. Denne afvigelse angiver en adskillelse af de mekanismer, der er ansvarlige for partikel- og varmestrømme, i modsætning til den situation, der er så universelt observeret for gratis transportører. Som resultat, deres system udviklede sig til en tilstand, hvor varme og partikelstrømme forsvandt længe før en ligevægt mellem de to reservoirer med hensyn til temperatur og partikelnummer var nået.

I øvrigt, et andet mål for termoelektrisk adfærd, Seebeck -koefficienten, viste sig at have en værdi tæt på den, der forventes for en ikke-interagerende Fermi-gas. Dette er forvirrende, fordi i nogle områder af kanalen, de stærkt interagerende atomer var i superfluidregimet (hvor en gas eller væske strømmer uden viskositet) og i det prototypiske superfluid, helium-4, Seebeck-koefficienten er nul. Denne uoverensstemmelse signalerer en anden termoelektrisk karakter for den fermioniske gas studeret af ETH-teamet.

Disse fund udgør derfor nye udfordringer for mikroskopisk modellering af stærkt interagerende fermionsystemer. På samme tid, platformen etableret med disse eksperimenter kunne hjælpe med at udforske nye koncepter for termoelektriske enheder, såsom kølere og motorer, der er baseret på interkonvertering af temperaturforskelle til partikelstrøm, og omvendt.