Uno studio che esplora l'accoppiamento tra calore e correnti di particelle in un gas di atomi fortemente interagenti mette in evidenza il ruolo fondamentale delle correlazioni quantistiche nei fenomeni di trasporto, infrange la legge Wiedemann-Franz, e dovrebbe aprire un percorso sperimentale per testare nuove idee per dispositivi termoelettrici.

Dall'esperienza quotidiana, sappiamo che i metalli sono buoni conduttori di elettricità e calore:pensate alla cottura induttiva o ai dispositivi elettronici che si scaldano con un uso intenso. Questo intimo legame tra trasporto di calore ed elettrico non è una coincidenza. Nei metalli tipici, entrambi i tipi di conduttività derivano dal flusso di elettroni liberi, che si muovono come un gas di particelle indipendenti attraverso il materiale. Ma quando i portatori fermionici come gli elettroni interagiscono tra loro, allora possono sorgere fenomeni imprevisti, come riportato questa settimana sul giornale Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Studio della conduzione del calore e delle particelle in un sistema di atomi fermionici fortemente interagenti, una ricerca collaborativa che include Dominik Husmann dell'ETH di Zurigo ha trovato una serie di comportamenti sconcertanti che distinguono questo sistema dai sistemi noti in cui le due forme di trasporto sono accoppiate.

Nei metalli, il collegamento della conduttività termica ed elettrica è descritto dalla legge di Wiedemann-Franz, che fu formulato per la prima volta nel 1853. Nella sua forma moderna, la legge stabilisce che a temperatura fissa, il rapporto tra i due tipi di conducibilità è costante. Il valore di tale rapporto è abbastanza universale, essendo lo stesso per una gamma notevolmente ampia di metalli e condizioni. Che l'universalità si rompe, però, quando i vettori interagiscono tra loro. Questo è stato osservato in una manciata di metalli esotici che ospitano elettroni fortemente correlati. Ma Husmann e collaboratori hanno ora esplorato il fenomeno in un sistema in cui avevano un controllo squisito su tutti i parametri rilevanti, consentendo loro di monitorare il trasporto di particelle e calore con dettagli senza precedenti.

Trasporto pulito

I portatori nei loro esperimenti sono atomi di litio fermionici, che i ricercatori hanno raffreddato a temperature sub-micro-kelvin e intrappolato utilizzando raggi laser. Inizialmente, hanno confinato alcune centinaia di migliaia di questi atomi in due serbatoi indipendenti che possono essere riscaldati individualmente. Una volta stabilita la differenza di temperatura tra i due serbatoi, hanno aperto una minuscola restrizione tra di loro, un cosiddetto punto di contatto quantistico, avviando così il trasporto di particelle e calore (vedi la figura). Il canale di trasporto è definito e controllato mediante luce laser, anche. L'esperimento fornisce quindi una piattaforma straordinariamente pulita per lo studio del trasporto fermionico. Per esempio, in materiali reali, il reticolo attraverso il quale fluiscono gli elettroni inizia a fondere ad alte temperature. In contrasto, nella configurazione dell'atomo freddo, con le strutture definite dalla luce, non si verifica tale "riscaldamento del reticolo", permettendo di concentrarsi sui vettori stessi.

Quando Husmann et al. determinato il rapporto tra conducibilità termica e particellare nel loro sistema, hanno scoperto che era un ordine di grandezza al di sotto delle previsioni della legge di Wiedemann-Franz. Questa deviazione indica una separazione dei meccanismi responsabili delle correnti di particelle e di calore, in contrasto con la situazione così universalmente osservata per i vettori franchi. Di conseguenza, il loro sistema si è evoluto in uno stato in cui il calore e le correnti di particelle sono svanite molto prima che fosse raggiunto un equilibrio tra i due serbatoi in termini di temperatura e numero di particelle.

Inoltre, un'altra misura per il comportamento termoelettrico, il coefficiente di Seebeck, è risultato avere un valore vicino a quello atteso per un gas di Fermi non interagente. Questo è sconcertante, perché in alcune regioni del canale, gli atomi fortemente interagenti erano nel regime superfluido (in cui un gas o liquido scorre senza viscosità) e nel prototipo superfluido, elio-4, il coefficiente di Seebeck è zero. Questa discrepanza segnala un diverso carattere termoelettrico per il gas fermionico studiato dal team dell'ETH.

Questi risultati pongono quindi nuove sfide per la modellazione microscopica di sistemi di fermioni fortemente interagenti. Allo stesso tempo, la piattaforma stabilita con questi esperimenti potrebbe aiutare a esplorare nuovi concetti per i dispositivi termoelettrici, come refrigeratori e motori che si basano sull'interconversione delle differenze di temperatura in flusso di particelle, e viceversa.