p O controle preciso do transporte de elétrons na microeletrônica possibilita circuitos lógicos complexos de uso diário em smartphones e laptops. O transporte de calor é de importância fundamental semelhante e seu controle é, por exemplo, necessário para resfriar com eficiência os cavacos cada vez menores. Uma equipe internacional incluindo físicos teóricos de Konstanz, Professor Júnior Fabian Pauly e Professor Peter Nielaba e sua equipe, alcançou um grande avanço na compreensão do transporte de calor em nanoescala. A equipe usou um sistema que os experimentalistas da nanociência podem hoje perceber rotineiramente e continua servindo como a "mosca da fruta" para descobertas revolucionárias:uma cadeia de átomos de ouro. Eles o usaram para demonstrar a quantização da parte eletrônica da condutância térmica. O estudo também mostra que a lei Wiedemann-Franz, uma relação da física clássica, permanece válido até o nível atômico. Os resultados foram publicados na revista científica Ciência em 16 de fevereiro de 2017. p Começar com, o objeto de teste é um fio de ouro microscópico. Este fio é puxado até que sua seção transversal tenha apenas um átomo de largura e uma cadeia de átomos de ouro se forma, antes que finalmente se quebre. Os físicos enviam corrente elétrica através desta cadeia atômica, isto é, através do fio mais fino que se possa imaginar. Com a ajuda de diferentes modelos teóricos, os pesquisadores podem prever o valor de condutância do transporte elétrico, e também confirme por experimento. Este valor de condutância elétrica indica quanta corrente de carga flui quando uma tensão elétrica é aplicada. A condutância térmica, que indica a quantidade de fluxo de calor para uma diferença de temperatura, ainda não poderia ser medido para tais fios atômicos.

p Agora a questão era se a lei Wiedemann-Franz, que afirma que a condutância elétrica e a condutância térmica são proporcionais entre si, permanece válido também na escala atômica. Geralmente, elétrons, bem como oscilações atômicas (também chamadas de vibrações ou fônons) contribuem para o transporte de calor. A mecânica quântica deve ser usada, no nível atômico, para descrever o transporte de elétrons e fônons. A lei Wiedemann-Franz, Contudo, apenas descreve a relação entre propriedades eletrônicas macroscópicas. Portanto, inicialmente os pesquisadores tiveram que descobrir o quão alta é a contribuição dos fônons para a condutância térmica.

p Os pesquisadores de doutorado Jan Klöckner e Manuel Matt fizeram cálculos teóricos complementares, que mostrou que geralmente a contribuição dos fônons para o transporte de calor em fios de ouro atomicamente finos é inferior a dez por cento, e, portanto, não é decisivo. Ao mesmo tempo, as simulações confirmam a aplicabilidade da lei Wiedemann-Franz. Manuel Matt usou um eficiente, embora seja um método menos preciso que forneceu resultados estatísticos para muitos eventos de alongamento do fio de ouro para calcular a parte eletrônica do valor de condutância térmica, enquanto Jan Klöckner aplicou a teoria do funcional da densidade para estimar as contribuições eletrônicas e fonônicas em geometrias de contato individuais. A quantização da condutância térmica em cadeias de ouro, como comprovado por experimento, em última análise, resulta da combinação de três fatores:a quantização do valor de condutância elétrica em unidades do chamado quantum de condutância (duas vezes a constante de Klitzing inversa 2e2 / h), o papel insignificante dos fônons no transporte de calor e a validade da lei de Wiedemann-Franz.

p Por algum tempo, foi possível calcular teoricamente, com a ajuda de modelos de computador desenvolvidos nas equipes de Fabian Pauly e Peter Nielaba, como as cargas e o calor fluem através das nanoestruturas. Uma configuração experimental altamente precisa, como criado pelos colegas experimentais Professor Edgar Meyhofer e Professor Pramod Reddy da Universidade de Michigan (EUA), era necessário ser capaz de comparar as previsões teóricas com as medições. 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.

p 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.