Een studie die de koppeling tussen warmte en deeltjesstromen in een gas van sterk op elkaar inwerkende atomen onderzoekt, benadrukt de fundamentele rol van kwantumcorrelaties in transportverschijnselen, de Wiedemann-Franz-wet overtreedt, en zou een experimentele route moeten openen voor het testen van nieuwe ideeën voor thermo-elektrische apparaten.

Uit de dagelijkse ervaring, we weten dat metalen goede geleiders zijn voor elektriciteit en warmte - denk aan inductief koken of elektronische apparaten die opwarmen bij intensief gebruik. Die intieme link tussen warmte en elektrisch vervoer is geen toeval. In typische metalen, beide soorten geleidbaarheid komen voort uit de stroom van vrije elektronen, die als een gas van onafhankelijke deeltjes door het materiaal bewegen. Maar wanneer fermionische dragers zoals elektronen met elkaar interageren, dan kunnen er onverwachte verschijnselen optreden, zoals deze week gerapporteerd in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences . Het bestuderen van warmte- en deeltjesgeleiding in een systeem van sterk op elkaar inwerkende fermionische atomen, een onderzoekssamenwerking met Dominik Husmann van ETH Zürich vond een reeks raadselachtige gedragingen die dit systeem onderscheiden van bekende systemen waarin de twee vormen van transport zijn gekoppeld.

Bij metalen, de verbinding van thermische en elektrische geleidbaarheid wordt beschreven door de wet van Wiedemann-Franz, die voor het eerst werd geformuleerd in 1853. In zijn moderne vorm, de wet stelt dat bij een vaste temperatuur, de verhouding tussen de twee soorten geleidbaarheid is constant. De waarde van die verhouding is vrij universeel, hetzelfde is voor een opmerkelijk breed scala aan metalen en omstandigheden. Die universaliteit breekt af, echter, wanneer de dragers met elkaar interageren. Dit is waargenomen bij een handvol exotische metalen die sterk gecorreleerde elektronen bevatten. Maar Husmann en collega's hebben het fenomeen nu onderzocht in een systeem waarin ze uitstekende controle hadden over alle relevante parameters, waardoor ze het transport van deeltjes en warmte tot in ongekend detail kunnen volgen.

Schoon vervoer

De dragers in hun experimenten zijn fermionische lithiumatomen, die de onderzoekers afkoelden tot sub-micro-kelvin-temperaturen en werden opgesloten met behulp van laserstralen. aanvankelijk, ze hebben een paar honderdduizend van deze atomen opgesloten in twee onafhankelijke reservoirs die afzonderlijk kunnen worden verwarmd. Nadat een temperatuurverschil tussen de twee reservoirs was vastgesteld, ze openden een kleine beperking tussen hen - een zogenaamd kwantumpuntcontact - en initieerden zo het transport van deeltjes en warmte (zie de afbeelding). Het transportkanaal wordt gedefinieerd en bestuurd met behulp van laserlicht, ook. Het experiment biedt daarom een ​​buitengewoon schoon platform voor het bestuderen van fermionische transport. Bijvoorbeeld, in echte materialen, het rooster waardoor de elektronen stromen begint te smelten bij hoge temperaturen. In tegenstelling tot, in de koude-atoomopstelling, met de structuren gedefinieerd door licht, dergelijke 'roosterverwarming' vindt niet plaats, waardoor het mogelijk is om te focussen op de vervoerders zelf.

Toen Husmann et al. bepaalden de verhouding tussen thermische en deeltjesgeleidbaarheid in hun systeem, ze vonden het een orde van grootte lager dan de voorspellingen van de Wiedemann-Franz-wet. Deze afwijking duidt op een scheiding van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor deeltjes- en warmtestromen, in tegenstelling tot de situatie die zo algemeen wordt waargenomen voor gratis vervoerders. Als resultaat, hun systeem evolueerde naar een toestand waarin warmte- en deeltjesstromen verdwenen lang voordat een evenwicht tussen de twee reservoirs in termen van temperatuur en deeltjesaantal was bereikt.

Bovendien, een andere maat voor thermo-elektrisch gedrag, de Seebeck-coëfficiënt, bleek een waarde te hebben die dicht in de buurt lag van de verwachte waarde voor een niet-interactief Fermi-gas. Dit is raadselachtig, omdat in sommige delen van het kanaal, de sterk interagerende atomen bevonden zich in het superfluïde regime (waarin een gas of vloeistof stroomt zonder viscositeit) en in het prototypische superfluïde, helium-4, de Seebeck-coëfficiënt is nul. Deze discrepantie duidt op een ander thermo-elektrisch karakter voor het fermionische gas dat door het ETH-team is bestudeerd.

Deze bevindingen vormen daarom nieuwe uitdagingen voor microscopische modellering van sterk interagerende fermionsystemen. Tegelijkertijd, het platform dat met deze experimenten is opgezet, zou kunnen helpen bij het verkennen van nieuwe concepten voor thermo-elektrische apparaten, zoals koelers en motoren die gebaseerd zijn op het onderling omzetten van temperatuurverschillen in deeltjesstroom, en vice versa.