Um estudo que explora o acoplamento entre o calor e as correntes de partículas em um gás de átomos que interagem fortemente destaca o papel fundamental das correlações quânticas nos fenômenos de transporte, viola a lei Wiedemann-Franz, e deve abrir uma rota experimental para testar novas idéias para dispositivos termoelétricos.

Da experiência cotidiana, sabemos que os metais são bons condutores de eletricidade e calor - pense no cozimento indutivo ou nos dispositivos eletrônicos que aquecem com o uso intenso. Essa ligação íntima de calor e transporte elétrico não é coincidência. Em metais típicos, ambos os tipos de condutividade surgem do fluxo de elétrons livres, que se movem como um gás de partículas independentes através do material. Mas quando os portadores fermiônicos, como os elétrons, interagem uns com os outros, então fenômenos inesperados podem surgir, conforme relatado esta semana no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences . Estudar a condução de calor e partículas em um sistema de átomos fermiônicos de forte interação, uma pesquisa colaborativa incluindo Dominik Husmann, da ETH Zurich, encontrou uma série de comportamentos intrigantes que diferenciam esse sistema dos sistemas conhecidos nos quais as duas formas de transporte são acopladas.

Em metais, a conexão da condutividade térmica e elétrica é descrita pela lei de Wiedemann-Franz, que foi formulado pela primeira vez em 1853. Em sua forma moderna, a lei afirma que a uma temperatura fixa, a relação entre os dois tipos de condutividade é constante. O valor dessa proporção é bastante universal, sendo o mesmo para uma ampla gama de metais e condições. Essa universalidade se quebra, Contudo, quando as operadoras interagem umas com as outras. Isso foi observado em um punhado de metais exóticos que hospedam elétrons fortemente correlacionados. Mas Husmann e colegas de trabalho agora exploraram o fenômeno em um sistema no qual eles tinham controle primoroso sobre todos os parâmetros relevantes, permitindo-lhes monitorar partículas e transporte de calor em detalhes sem precedentes.

Transporte limpo

Os portadores em seus experimentos são átomos de lítio fermiônicos, que os pesquisadores resfriaram a temperaturas abaixo de micro-kelvin e capturaram usando feixes de laser. Inicialmente, eles confinaram algumas centenas de milhares desses átomos em dois reservatórios independentes que podem ser aquecidos individualmente. Uma vez que a diferença de temperatura entre os dois reservatórios foi estabelecida, eles abriram uma pequena restrição entre eles - um chamado ponto de contato quântico - iniciando assim o transporte de partículas e calor (veja a figura). O canal de transporte é definido e controlado por luz laser, também. O experimento, portanto, fornece uma plataforma extraordinariamente limpa para estudar o transporte fermiônico. Por exemplo, em materiais reais, a rede através da qual o fluxo de elétrons começa a derreter em altas temperaturas. Em contraste, na configuração do átomo frio, com as estruturas definidas pela luz, nenhum tal 'aquecimento de rede' ocorre, tornando possível focar nas próprias operadoras.

Quando Husmann et al. determinou a relação entre a condutividade térmica e de partículas em seu sistema, eles descobriram que era uma ordem de magnitude abaixo das previsões da lei de Wiedemann-Franz. Este desvio indica uma separação dos mecanismos responsáveis ​​pelas correntes de partículas e calor, em contraste com a situação tão universalmente observada para as operadoras gratuitas. Como resultado, seu sistema evoluiu para um estado em que o calor e as correntes de partículas desapareceram muito antes de um equilíbrio entre os dois reservatórios em termos de temperatura e número de partículas ter sido alcançado.

Além disso, outra medida para o comportamento termoelétrico, o coeficiente de Seebeck, foi encontrado para ter um valor próximo ao esperado para um gás Fermi não interagente. Isso é intrigante, porque em algumas regiões do canal, os átomos que interagiam fortemente estavam no regime de superfluido (em que um gás ou líquido flui sem viscosidade) e no superfluido prototípico, hélio-4, o coeficiente de Seebeck é zero. Essa discrepância sinaliza um caráter termoelétrico diferente para o gás fermiônico estudado pela equipe da ETH.

Essas descobertas, portanto, representam novos desafios para a modelagem microscópica de sistemas de férmions com forte interação. Ao mesmo tempo, a plataforma estabelecida com esses experimentos pode ajudar a explorar novos conceitos para dispositivos termoelétricos, como resfriadores e motores que são baseados na conversão de diferenças de temperatura em fluxo de partículas, e vice versa.