De nauwkeurige regeling van het elektronentransport in de micro-elektronica maakt complexe logische schakelingen mogelijk die dagelijks worden gebruikt in smartphones en laptops. Warmtetransport is van even groot fundamenteel belang en de beheersing ervan is bijvoorbeeld nodig om de steeds kleinere chips efficiënt te koelen. Een internationaal team met theoretische fysici uit Konstanz, Junior Professor Fabian Pauly en Professor Peter Nielaba en hun medewerkers, heeft een echte doorbraak bereikt in het beter begrijpen van warmtetransport op nanoschaal. Het team gebruikte een systeem dat experimentatoren in de nanowetenschap tegenwoordig vrij routinematig kunnen realiseren en dat blijft dienen als de "fruitvlieg" voor baanbrekende ontdekkingen:een ketting van goudatomen. Ze gebruikten het om de kwantisatie van het elektronische deel van de thermische geleiding te demonstreren. De studie toont ook aan dat de wet Wiedemann-Franz, een relatie uit de klassieke natuurkunde, blijft geldig tot op atomair niveau. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap op 16 februari 2017.

Beginnen met, het testobject is een microscopisch kleine gouddraad. Aan deze draad wordt getrokken totdat de doorsnede slechts één atoom breed is en er een ketting van goudatomen ontstaat, voordat het eindelijk breekt. De natuurkundigen sturen elektrische stroom door deze atoomketen, dat is door de dunst denkbare draad. Met behulp van verschillende theoretische modellen kunnen de onderzoekers de geleidbaarheidswaarde van het elektrisch vervoer voorspellen, en bevestig het ook door experiment. Deze elektrische geleidbaarheidswaarde geeft aan hoeveel laadstroom er vloeit wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd. De thermische geleidbaarheid, die de hoeveelheid warmtestroom aangeeft voor een verschil in temperatuur, kon nog niet worden gemeten voor dergelijke atomaire draden.

Nu was de vraag of de wet Wiedemann-Franz, die stelt dat de elektrische geleidbaarheid en de thermische geleidbaarheid evenredig met elkaar zijn, blijft ook geldig op atomaire schaal. Over het algemeen, zowel elektronen als atomaire oscillaties (ook wel trillingen of fononen genoemd) dragen bij aan het warmtetransport. Kwantummechanica moet worden gebruikt, op atomair niveau, om zowel het elektronen- als het fonontransport te beschrijven. De wet Wiedemann-Franz, echter, beschrijft alleen de relatie tussen macroscopische elektronische eigenschappen. Daarom, in eerste instantie moesten de onderzoekers uitzoeken hoe hoog de bijdrage van de fononen is aan de thermische geleidbaarheid.

De promovendi Jan Klöckner en Manuel Matt deden complementaire theoretische berekeningen, waaruit bleek dat de bijdrage van fononen aan het warmtetransport in atomair dunne gouddraden meestal minder dan tien procent is, en is dus niet beslissend. Tegelijkertijd, de simulaties bevestigen de toepasbaarheid van de Wiedemann-Franz wet. Manuel Matt gebruikte een efficiënte, zij het een minder nauwkeurige methode die statistische resultaten opleverde voor veel gouddraadrekgebeurtenissen om het elektronische deel van de thermische geleidbaarheidswaarde te berekenen, terwijl Jan Klöckner de dichtheidsfunctionaaltheorie toepaste om de elektronische en fononische bijdragen in individuele contactgeometrieën te schatten. De kwantisering van de thermische geleidbaarheid in gouden kettingen, zoals bewezen door experiment, uiteindelijk resulteert uit de combinatie van drie factoren:de kwantisering van de elektrische geleidbaarheidswaarde in eenheden van het zogenaamde geleidbaarheidsquantum (tweemaal de inverse Klitzing-constante 2e2/h), de verwaarloosbare rol van fononen in warmtetransport en de geldigheid van de wet van Wiedemann-Franz.

Het is al geruime tijd mogelijk om theoretisch te berekenen, met behulp van computermodellen zoals ontwikkeld in de teams van Fabian Pauly en Peter Nielaba, hoe ladingen en warmte door nanostructuren stromen. Een zeer nauwkeurige experimentele opstelling, zoals gemaakt door de experimentele collega's Professor Edgar Meyhofer en Professor Pramod Reddy van de Universiteit van Michigan (VS), 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.