Trencant la llei de Wiedemann-Franz

Un estudi que explora l'acoblament entre els corrents de calor i partícules en un gas d'àtoms fortament interaccionants posa de relleu el paper fonamental de les correlacions quàntiques en els fenomens del transport de manera que trenca la llei Wiedemann-Franz i ha d'obrir un camí experimental per provar idees noves per a dispositius termoelèctrics.

Des de l'experiència quotidiana, se sap que els metalls són bons conductors per a l'electricitat i la cuina inductiva, per a la calor, o per a dispositius electrònics que s'escalfen amb un ús intens. Aquest vincle íntim de calor i transport elèctric no és coincidència. En els metalls típics, ambdós tipus de conductivitat sorgeixen del flux d'electrons lliures, que es mouen com un gas de partícules independents a través del material. Però quan els portadors fermiònics com els electrons interactuen entre si, poden sorgir fenomens inesperats. Estudiant la conducció de calor i partícules en un sistema d'àtoms fermiònics fortament interaccionants, un treball de recerca de Dominik Husmann de l'ETH de Zuric, va trobar una sèrie de comportaments desconcertants que es van establir en aquest sistema a part dels sistemes coneguts en què s'adjunten les dues formes de transport.

En els metalls, la connexió de conductivitat tèrmica i elèctrica es descriu per la llei Wiedemann-Franz, formulada per primera vegada el 1853. En la seva forma moderna, la llei estableix que a una temperatura fixa, la relació entre els dos tipus de conductivitat és constant. El valor d'aquesta proporció és bastant universal, sent el mateix per a una àmplia gamma de metalls i de condicions. Tanmateix, aquesta universalitat es descompon quan els operadors interactuen entre ells. Això s'ha observat en molts metalls que contenen forts electrons correlacionats. Però Husmann i els seus col·laboradors han explorat el fenomen en un sistema en què tenien un exquisit control sobre tots els paràmetres rellevants, que permetien controlar el transport de partícules i de calor en detalls sense precedents.

Els operadors en els seus experiments són els àtoms de liti fermiònic, que els investigadors van refredar a temperatures de submicrokelvíniques i es van aturar amb guies làser. Inicialment, van confinar uns pocs centenars de mil d'aquests àtoms a dos dipòsits independents que es poden escalfar individualment. Una vegada que es va establir una diferència de temperatura entre els dos dipòsits, van obrir una petita restricció entre ells -un contacte anomenat punt quàntum-, iniciant així el transport de partícules i calor (vegeu la figura). El canal de transport també es defineix i es controla mitjançant llum làser. Per tant, l'experiment proporciona una plataforma extraordinàriament neta per estudiar el transport fermiònic. Per exemple, en materials reals, la gelosia a través de la qual el flux d'electrons comença a fondre a altes temperatures. Per contra, en la configuració de l'àtom fred, amb les estructures definides per la llum, no es produeix cap zona «calenta de gelosia», fet que permet centrar-se en els propis operadors.

Quan Husmann, va determinar la relació entre la conductivitat tèrmica i la partícula en el seu sistema, van trobar que era un ordre de magnitud per sota de les prediccions de la llei Wiedemann-Franz. Aquesta desviació indica una separació dels mecanismes responsables de les corrents de partícules i de calor, en contrast amb la situació tan observada generalement, per als operadors lliures. Com a resultat, el seu sistema es va convertir en un estat en què els corrents de calor i partícules van desaparèixer molt abans que s'hagués arribat a un equilibri entre els dos dipòsits en termes de temperatura i nombre de partícules.

A més, es va trobar una altra mesura per al comportament termoelèctric, el coeficient Seebeck, d'un valor proper al que s'esperava per a un gas Fermi no interactiu. Això és desconcertant, ja que en algunes regions del canal, els àtoms fortament interaccionats es trobaven en el règim superfluid (en el qual un flux de gas o líquid sense viscositat) i en el superfluid prototip, l'heli-4, el coeficient de Seebeck és zero. Aquesta discrepància indica un altre caràcter termoelèctric per al gas fermiònic estudiat per l'equip de l'ETH.

Aquestes troballes donen lloc a nous reptes per a la modelització microscòpica de sistemes de fermió que interactuen fortament. Al mateix temps, la plataforma establerta amb aquests experiments podria ajudar a explorar nous conceptes per a dispositius termoelèctrics, com són els refrigeradors i els motors que es basen en diferències de temperatura interconvertides en el flux de partícules i viceversa.

Font: ETH Zurich