Den exakta kontrollen av elektrontransport i mikroelektronik möjliggör komplexa logiska kretsar som används dagligen i smartphones och bärbara datorer. Värmetransport är av liknande grundläggande betydelse och dess kontroll är till exempel nödvändig för att effektivt kyla de allt mindre flisen. Ett internationellt team inklusive teoretiska fysiker från Konstanz, Juniorprofessor Fabian Pauly och professor Peter Nielaba och deras personal, har fått ett verkligt genombrott för att bättre förstå värmetransport på nanoskala. Teamet använde ett system som experimentalister inom nanovetenskap numera kan realisera ganska rutinmässigt och fortsätter att fungera som "fruktflugan" för banbrytande upptäckter:en kedja av guldatomer. De använde den för att demonstrera kvantiseringen av den elektroniska delen av den termiska konduktansen. Studien visar också att Wiedemann-Franz lag, en relation från klassisk fysik, förblir giltig ner till atomär nivå. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Vetenskap den 16 februari 2017.

Till att börja med, testobjektet är en mikroskopisk guldtråd. Denna tråd dras tills dess tvärsnitt bara är en atom bred och en kedja av guldatomer bildas, innan det slutligen går sönder. Fysikerna skickar elektrisk ström genom denna atomkedja, det vill säga genom den tunnaste tråden tänkbara. Med hjälp av olika teoretiska modeller kan forskarna förutsäga konduktansvärdet för den elektriska transporten, och även bekräfta det genom experiment. Detta elektriska konduktansvärde indikerar hur mycket laddningsström som flyter när en elektrisk spänning appliceras. Den termiska konduktansen, som anger mängden värmeflöde för en skillnad i temperatur, kunde ännu inte mätas för sådana atomtrådar.

Nu var frågan om Wiedemann-Franz lagen, som säger att den elektriska konduktansen och den termiska konduktansen är proportionella mot varandra, förblir giltig även på atomär skala. Rent generellt, elektroner såväl som atomsvängningar (även kallade vibrationer eller fononer) bidrar till värmetransporten. Kvantmekanik måste användas, på atomnivå, att beskriva både elektron- och fonontransporten. Wiedemann-Franz lagen, dock, beskriver endast sambandet mellan makroskopiska elektroniska egenskaper. Därför, Inledningsvis var forskarna tvungna att ta reda på hur högt fononernas bidrag är till den termiska konduktansen.

Doktorandforskarna Jan Klöckner och Manuel Matt gjorde kompletterande teoretiska beräkningar, som visade att fononernas bidrag till värmetransporten i atomärt tunna guldtrådar vanligtvis är mindre än tio procent, och är alltså inte avgörande. På samma gång, simuleringarna bekräftar tillämpligheten av Wiedemann-Franz-lagen. Manuel Matt använde en effektiv, om än mindre exakt metod som gav statistiska resultat för många guldtrådsträckningshändelser för att beräkna den elektroniska delen av värmekonduktansvärdet, medan Jan Klöckner tillämpade densitetsfunktionella teorin för att uppskatta de elektroniska och fononiska bidragen i individuella kontaktgeometrier. Kvantiseringen av den termiska konduktansen i guldkedjor, som bevisats genom experiment, slutligen ett resultat av kombinationen av tre faktorer:kvantiseringen av det elektriska konduktansvärdet i enheter av det så kallade konduktanskvantumet (dubbla den inversa Klitzing-konstanten 2e2/h), fononernas försumbara roll vid värmetransport och giltigheten av Wiedemann-Franz-lagen.

Under ganska lång tid har det varit möjligt att teoretiskt beräkna, med hjälp av datormodeller som utvecklats i teamen av Fabian Pauly och Peter Nielaba, hur laddningar och värme strömmar genom nanostrukturer. En mycket exakt experimentell uppställning, som skapats av de experimentella kollegorna professor Edgar Meyhofer och professor Pramod Reddy från University of Michigan (USA), krävdes för att kunna jämföra de teoretiska förutsägelserna med mätningar. I tidigare experiment var signalerna från värmeflödet genom enatomskontakter för små. 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.