El control preciso del transporte de electrones en microelectrónica hace posible circuitos lógicos complejos que se utilizan a diario en teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. El transporte de calor tiene una importancia fundamental similar y su control es necesario, por ejemplo, para enfriar eficientemente las virutas cada vez más pequeñas. Un equipo internacional que incluye físicos teóricos de Konstanz, El profesor junior Fabian Pauly y el profesor Peter Nielaba y su personal, ha logrado un avance real para comprender mejor el transporte de calor a nanoescala. El equipo utilizó un sistema que los experimentadores en nanociencia pueden realizar hoy en día de manera bastante rutinaria y sigue sirviendo como la "mosca de la fruta" para los descubrimientos más importantes:una cadena de átomos de oro. Lo utilizaron para demostrar la cuantificación de la parte electrónica de la conductancia térmica. El estudio también muestra que la ley de Wiedemann-Franz, una relación de la física clásica, sigue siendo válido hasta el nivel atómico. Los resultados fueron publicados en la revista científica Ciencias el 16 de febrero de 2017.

Para empezar, el objeto de prueba es un alambre de oro microscópico. Se tira de este cable hasta que su sección transversal tiene solo un átomo de ancho y se forma una cadena de átomos de oro, antes de que finalmente se rompa. Los físicos envían corriente eléctrica a través de esta cadena atómica, eso es a través del cable más delgado imaginable. Con la ayuda de diferentes modelos teóricos, los investigadores pueden predecir el valor de conductancia del transporte eléctrico, y también confirmarlo experimentando. Este valor de conductancia eléctrica indica cuánta corriente de carga fluye cuando se aplica un voltaje eléctrico. La conductancia térmica, que indica la cantidad de flujo de calor para una diferencia de temperatura, aún no se pudo medir para tales cables atómicos.

Ahora la cuestión era si la ley de Wiedemann-Franz, que establece que la conductancia eléctrica y la conductancia térmica son proporcionales entre sí, sigue siendo válido también a escala atómica. Generalmente, los electrones y las oscilaciones atómicas (también llamadas vibraciones o fonones) contribuyen al transporte de calor. Se debe utilizar la mecánica cuántica, a nivel atómico, para describir el transporte de electrones y fonones. La ley de Wiedemann-Franz, sin embargo, sólo describe la relación entre propiedades electrónicas macroscópicas. Por lo tanto, Inicialmente, los investigadores tuvieron que averiguar qué tan alta es la contribución de los fonones a la conductancia térmica.

Los investigadores de doctorado Jan Klöckner y Manuel Matt hicieron cálculos teóricos complementarios, que mostró que generalmente la contribución de fonones al transporte de calor en alambres de oro atómicamente delgados es menos del diez por ciento, y por tanto no es decisivo. Al mismo tiempo, las simulaciones confirman la aplicabilidad de la ley de Wiedemann-Franz. Manuel Matt usó un eficiente, aunque un método menos preciso que proporcionó resultados estadísticos para muchos eventos de estiramiento del alambre de oro para calcular la parte electrónica del valor de conductancia térmica, mientras que Jan Klöckner aplicó la teoría funcional de la densidad para estimar las contribuciones electrónicas y fonónicas en geometrías de contacto individuales. La cuantificación de la conductancia térmica en cadenas de oro, como lo demuestra el experimento, en última instancia, resulta de la combinación de tres factores:la cuantificación del valor de conductancia eléctrica en unidades del llamado cuanto de conductancia (el doble de la constante de Klitzing inversa 2e2 / h), el papel insignificante de los fonones en el transporte de calor y la validez de la ley de Wiedemann-Franz.

Durante bastante tiempo ha sido posible calcular teóricamente, con la ayuda de modelos informáticos desarrollados en los equipos de Fabian Pauly y Peter Nielaba, cómo fluyen las cargas y el calor a través de las nanoestructuras. Una configuración experimental de alta precisión, creado por los colegas experimentales, el profesor Edgar Meyhofer y el profesor Pramod Reddy de la Universidad de Michigan (EE. UU.), 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.