Gennembrud i forståelsen af ​​varmetransport med en kæde af guldatomer

Den præcise styring af elektrontransport i mikroelektronik muliggør komplekse logiske kredsløb, der er til daglig brug i smartphones og bærbare computere. Varmetransport er af lignende grundlæggende betydning, og dens kontrol er f.eks. Nødvendig for effektivt at afkøle de stadig mindre chips. Et internationalt team inklusive teoretiske fysikere fra Konstanz, Juniorprofessor Fabian Pauly og professor Peter Nielaba og deres personale, har opnået et reelt gennembrud i en bedre forståelse af varmetransport på nanoskalaen. Teamet brugte et system, som eksperimentelle inden for nanovidenskab i dag kan realisere ganske rutinemæssigt og bliver ved med at fungere som "frugtflue" for banebrydende opdagelser:en kæde af guldatomer. De brugte det til at demonstrere kvantiseringen af ​​den elektroniske del af den termiske konduktans. Undersøgelsen viser også, at Wiedemann-Franz-loven, en relation fra klassisk fysik, forbliver gyldig ned til atomniveau. Resultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskab den 16. februar 2017.

Til at starte med, testobjektet er en mikroskopisk guldtråd. Denne tråd trækkes, indtil dens tværsnit kun er et atom bredt, og der dannes en kæde af guldatomer, før det endelig går i stykker. Fysikerne sender elektrisk strøm gennem denne atomkæde, det er gennem den tyndeste tråd, der kan tænkes. Ved hjælp af forskellige teoretiske modeller kan forskerne forudsige konduktansværdien af ​​den elektriske transport, og bekræft det også ved forsøg. Denne elektriske konduktansværdi angiver, hvor meget ladestrøm der strømmer, når der tilføres en elektrisk spænding. Den termiske ledningsevne, der angiver mængden af ​​varmestrøm for en forskel i temperatur, endnu ikke kunne måles for sådanne atomtråde.

Nu var spørgsmålet, om Wiedemann-Franz-loven, der siger, at den elektriske ledningsevne og den termiske ledningsevne er proportionale med hinanden, forbliver gyldig også i atomskalaen. Generelt, elektroner samt atomoscillationer (også kaldet vibrationer eller fononer) bidrager til varmetransport. Kvantemekanik skal bruges, på atomniveau, at beskrive både elektron- og fonontransport. Wiedemann-Franz-loven, imidlertid, beskriver kun forholdet mellem makroskopiske elektroniske egenskaber. Derfor, oprindeligt skulle forskerne finde ud af, hvor højt fononernes bidrag er til den termiske ledningsevne.

Doktorforskerne Jan Klöckner og Manuel Matt lavede komplementære teoretiske beregninger, som viste, at fonons bidrag normalt til varmetransporten i atomtynde guldtråde er mindre end ti procent, og er dermed ikke afgørende. På samme tid, simuleringerne bekræfter anvendelsen af ​​Wiedemann-Franz-loven. Manuel Matt brugte en effektiv, omend mindre præcis metode, der gav statistiske resultater for mange guldtrådstrækningsbegivenheder til at beregne den elektroniske del af den termiske konduktansværdi, mens Jan Klöckner anvendte densitetsteori til at estimere de elektroniske og fononiske bidrag i individuelle kontaktgeometrier. Kvantiseringen af ​​den termiske konduktans i guldkæder, som bevist ved forsøg, i sidste ende skyldes kombinationen af ​​tre faktorer:kvantiseringen af ​​den elektriske konduktansværdi i enheder af den såkaldte konduktanskvante (to gange den inverse Klitzing-konstant 2e2/h), fonons ubetydelige rolle i varmetransport og gyldigheden af ​​Wiedemann-Franz-loven.

I et stykke tid har det været teoretisk muligt at beregne, ved hjælp af computermodeller som udviklet i teams af Fabian Pauly og Peter Nielaba, hvordan ladninger og varme strømmer gennem nanostrukturer. En meget præcis eksperimentel opsætning, som skabt af eksperimentelle kolleger professor Edgar Meyhofer og professor Pramod Reddy fra University of Michigan (USA), was required to be able to compare the theoretical predictions with measurements. In previous experiments the signals from the heat flow through single atom contacts were too small. The Michigan group succeeded in improving the experiment:Now the actual signal can be filtered out and measured.

The results of the research team make it possible to study heat transport not only in atomic gold contacts but many other nanosystems. They offer opportunities to experimentally and theoretically explore numerous fundamental quantum heat transport phenomenona that might help to use energy more efficiently, for example by exploiting thermoelectricity.