En studie som undersöker kopplingen mellan värme och partikelströmmar i en gas med starkt interagerande atomer belyser den grundläggande rollen för kvantkorrelationer i transportfenomen, bryter mot Wiedemann-Franz-lagen, och bör öppna en experimentell väg för att testa nya idéer för termoelektriska enheter.

Av vardaglig erfarenhet, vi vet att metaller är bra ledare för el och värme - tänk induktiv matlagning eller elektroniska apparater som värms upp med intensiv användning. Den intima länken mellan värme och elektrisk transport är ingen slump. I typiska metaller, båda typerna av konduktivitet uppstår från flödet av fria elektroner, som rör sig som en gas av oberoende partiklar genom materialet. Men när fermioniska bärare som elektroner interagerar med varandra, då kan oväntade fenomen uppstå, som rapporterades i veckan i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences . Studerar värme och partikelledning i ett system med starkt interagerande fermionatomer, ett forskningssamarbete inklusive Dominik Husmann från ETH Zürich hittade en rad förbryllande beteenden som skiljer detta system från kända system där de två transportformerna är kopplade.

I metaller, anslutningen av termisk och elektrisk konduktivitet beskrivs av Wiedemann-Franz-lagen, som först formulerades 1853. I sin moderna form, lagen säger att vid en fast temperatur, förhållandet mellan de två typerna av konduktivitet är konstant. Värdet på det förhållandet är ganska universellt, vara densamma för ett anmärkningsvärt brett spektrum av metaller och betingelser. Den universaliteten går sönder, dock, när bärarna interagerar med varandra. Detta har observerats i en handfull exotiska metaller som har starkt korrelerade elektroner. Men Husmann och medarbetare har nu utforskat fenomenet i ett system där de hade utsökt kontroll över alla relevanta parametrar, gör det möjligt för dem att övervaka partikel- och värmetransport i oöverträffade detaljer.

Ren transport

Bärarna i deras experiment är fermjoniska litiumatomer, som forskarna svalnade till sub-mikro-kelvin temperaturer och fångades med hjälp av laserstrålar. Initialt, de begränsade några hundra tusen av dessa atomer till två oberoende reservoarer som kan värmas individuellt. När en temperaturskillnad mellan de två behållarna fastställdes, de öppnade en liten begränsning mellan dem-en så kallad kvantpunktskontakt-på så sätt initierade transport av partiklar och värme (se figuren). Transportkanalen definieras och styrs med laserljus, också. Experimentet ger därför en utomordentligt ren plattform för att studera fermioniska transporter. Till exempel, i verkliga material, gitteret genom vilket elektronernas flöde börjar smälta vid höga temperaturer. I kontrast, i kallatomen, med de strukturer som definieras av ljus, ingen sådan "gitteruppvärmning" sker, gör det möjligt att fokusera på bärarna själva.

När Husmann et al. bestämde förhållandet mellan termisk och partikelkonduktivitet i deras system, de fann att det var en storleksordning under Wiedemann-Franz-lagens förutsägelser. Denna avvikelse indikerar en separation av mekanismerna som är ansvariga för partikel- och värmeströmmar, i kontrast till situationen så allmänt observerad för fria transportörer. Som ett resultat, deras system utvecklades till ett tillstånd där värme och partikelströmmar försvann långt innan en jämvikt mellan de två reservoarerna när det gäller temperatur och partikelantal hade uppnåtts.

Dessutom, en annan åtgärd för termoelektriskt beteende, Seebeck -koefficienten, befanns ha ett värde nära det förväntade för en icke-interagerande Fermi-gas. Det här är förbryllande, eftersom i vissa regioner av kanalen, de starkt interagerande atomerna fanns i superfluidregimen (där en gas eller vätska flyter utan viskositet) och i den prototypiska superfluiden, helium-4, Seebeck -koefficienten är noll. Denna avvikelse signalerar en annan termoelektrisk karaktär för den fermioniska gasen som studerats av ETH -teamet.

Dessa fynd utgör därför nya utmaningar för mikroskopisk modellering av starkt interagerande fermionsystem. På samma gång, plattformen som etablerades med dessa experiment kan hjälpa till att utforska nya koncept för termoelektriska enheter, såsom kylare och motorer som är baserade på interkonverterande temperaturskillnader till partikelflöde, och vice versa.