Un estudio que explora el acoplamiento entre el calor y las corrientes de partículas en un gas de átomos que interactúan fuertemente destaca el papel fundamental de las correlaciones cuánticas en los fenómenos de transporte. infringe la ley de Wiedemann-Franz, y debería abrir una ruta experimental para probar ideas novedosas para dispositivos termoeléctricos.

De la experiencia diaria, sabemos que los metales son buenos conductores de la electricidad y el calor; piense en la cocción inductiva o en los dispositivos electrónicos que se calientan con un uso intenso. Ese vínculo íntimo de transporte de calor y eléctrico no es una coincidencia. En metales típicos, Ambos tipos de conductividad surgen del flujo de electrones libres, que se mueven como un gas de partículas independientes a través del material. Pero cuando los portadores fermiónicos, como los electrones, interactúan entre sí, entonces pueden surgir fenómenos inesperados, como se informó esta semana en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Estudiar la conducción de partículas y calor en un sistema de átomos fermiónicos que interactúan fuertemente, una colaboración de investigación que incluyó a Dominik Husmann de ETH Zurich encontró una variedad de comportamientos desconcertantes que distinguen a este sistema de los sistemas conocidos en los que las dos formas de transporte están acopladas.

En metales, la conexión de la conductividad térmica y eléctrica está descrita por la ley de Wiedemann-Franz, que se formuló por primera vez en 1853. En su forma moderna, la ley establece que a una temperatura fija, la relación entre los dos tipos de conductividad es constante. El valor de esa relación es bastante universal, siendo el mismo para una gama notablemente amplia de metales y condiciones. Que la universalidad se quiebra, sin embargo, cuando los transportistas interactúan entre sí. Esto se ha observado en un puñado de metales exóticos que albergan electrones fuertemente correlacionados. Pero Husmann y sus colaboradores ahora han explorado el fenómeno en un sistema en el que tenían un control exquisito sobre todos los parámetros relevantes, permitiéndoles monitorear el transporte de partículas y calor con un detalle sin precedentes.

Transporte limpio

Los portadores en sus experimentos son átomos de litio fermiónicos, que los investigadores enfriaron a temperaturas sub-micro-kelvin y atraparon usando rayos láser. Inicialmente, confinaron algunos cientos de miles de estos átomos en dos depósitos independientes que pueden calentarse individualmente. Una vez que se estableció una diferencia de temperatura entre los dos depósitos, abrieron una pequeña restricción entre ellos, un llamado contacto de punto cuántico, iniciando así el transporte de partículas y calor (ver la figura). El canal de transporte se define y controla mediante luz láser, así como. Por tanto, el experimento proporciona una plataforma extraordinariamente limpia para estudiar el transporte fermiónico. Por ejemplo, en materiales reales, la red a través de la cual fluyen los electrones comienza a fundirse a altas temperaturas. A diferencia de, en la configuración de átomo frío, con las estructuras definidas por la luz, no se produce tal 'calentamiento de celosía', haciendo posible centrarse en los propios transportistas.

Cuando Husmann et al. determinó la relación entre la conductividad térmica y de partículas en su sistema, encontraron que era un orden de magnitud por debajo de las predicciones de la ley de Wiedemann-Franz. Esta desviación indica una separación de los mecanismos responsables de las corrientes de partículas y calor, en contraste con la situación tan universalmente observada para los transportistas gratuitos. Como resultado, su sistema evolucionó a un estado en el que las corrientes de calor y partículas desaparecieron mucho antes de que se alcanzara un equilibrio entre los dos depósitos en términos de temperatura y número de partículas.

Es más, otra medida del comportamiento termoeléctrico, el coeficiente de Seebeck, se encontró que tiene un valor cercano al esperado para un gas Fermi que no interactúa. Esto es desconcertante porque en algunas regiones del canal, los átomos que interactúan fuertemente estaban en el régimen de superfluido (en el que un gas o líquido fluye sin viscosidad) y en el superfluido prototípico, helio-4, el coeficiente de Seebeck es cero. Esta discrepancia señala un carácter termoeléctrico diferente para el gas fermiónico estudiado por el equipo de ETH.

Por lo tanto, estos hallazgos plantean nuevos desafíos para el modelado microscópico de sistemas de fermiones que interactúan fuertemente. Al mismo tiempo, la plataforma establecida con estos experimentos podría ayudar a explorar conceptos novedosos para dispositivos termoeléctricos, como refrigeradores y motores que se basan en la interconversión de diferencias de temperatura en flujo de partículas, y viceversa.