Il controllo preciso del trasporto di elettroni nella microelettronica rende possibili circuiti logici complessi che sono di uso quotidiano in smartphone e laptop. Di analoga importanza fondamentale è il trasporto del calore e il suo controllo è necessario ad esempio per raffreddare efficacemente i trucioli sempre più piccoli. Un team internazionale che comprende fisici teorici di Costanza, Il Professore Junior Fabian Pauly e il Professor Peter Nielaba e il loro staff, ha compiuto un vero passo avanti nella comprensione migliore del trasporto di calore su scala nanometrica. Il team ha utilizzato un sistema che gli sperimentatori della nanoscienza possono oggi realizzare in modo abbastanza sistematico e che continua a fungere da "moscerino della frutta" per scoperte rivoluzionarie:una catena di atomi d'oro. L'hanno usato per dimostrare la quantizzazione della parte elettronica della conduttanza termica. Lo studio mostra anche che la legge Wiedemann-Franz, una relazione dalla fisica classica, rimane valido fino al livello atomico. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Scienza il 16 febbraio 2017.

Iniziare con, l'oggetto di prova è un microscopico filo d'oro. Questo filo viene tirato finché la sua sezione trasversale è larga solo un atomo e si forma una catena di atomi d'oro, prima che finalmente si rompa. I fisici inviano corrente elettrica attraverso questa catena atomica, cioè attraverso il filo più sottile concepibile. Con l'aiuto di diversi modelli teorici i ricercatori possono prevedere il valore di conduttanza del trasporto elettrico, e anche confermarlo sperimentando. Questo valore di conduttanza elettrica indica quanta corrente di carica scorre quando viene applicata una tensione elettrica. La conduttanza termica, che indica la quantità di flusso di calore per una differenza di temperatura, non poteva ancora essere misurato per tali fili atomici.

Ora la domanda era se la legge Wiedemann-Franz, che afferma che la conduttanza elettrica e la conduttanza termica sono proporzionali tra loro, rimane valido anche su scala atomica. In genere, gli elettroni e le oscillazioni atomiche (chiamate anche vibrazioni o fononi) contribuiscono al trasporto di calore. La meccanica quantistica deve essere utilizzata, a livello atomico, descrivere sia il trasporto di elettroni che di fononi. La legge Wiedemann-Franz, però, descrive solo la relazione tra le proprietà elettroniche macroscopiche. Perciò, inizialmente i ricercatori hanno dovuto scoprire quanto è alto il contributo dei fononi alla conduttanza termica.

I ricercatori di dottorato Jan Klöckner e Manuel Matt hanno eseguito calcoli teorici complementari, che ha mostrato che di solito il contributo dei fononi al trasporto di calore in fili d'oro atomicamente sottili è inferiore al dieci percento, e quindi non è determinante. Allo stesso tempo, le simulazioni confermano l'applicabilità della legge Wiedemann-Franz. Manuel Matt ha utilizzato un efficiente, metodo anche se meno accurato che ha fornito risultati statistici per molti eventi di stiramento del filo d'oro per calcolare la parte elettronica del valore di conduttanza termica, mentre Jan Klöckner ha applicato la teoria del funzionale della densità per stimare i contributi elettronici e fononici nelle singole geometrie di contatto. La quantizzazione della conduttanza termica nelle catene d'oro, come dimostrato dall'esperimento, risulta in definitiva dalla combinazione di tre fattori:la quantizzazione del valore di conduttanza elettrica in unità del cosiddetto quanto di conduttanza (il doppio della costante di Klitzing inversa 2e2/h), il ruolo trascurabile dei fononi nel trasporto del calore e la validità della legge di Wiedemann-Franz.

Per molto tempo è stato possibile calcolare teoricamente, con l'aiuto di modelli al computer sviluppati nei team di Fabian Pauly e Peter Nielaba, come le cariche e il calore scorrono attraverso le nanostrutture. Una configurazione sperimentale altamente precisa, come creato dai colleghi sperimentali Professor Edgar Meyhofer e Professor Pramod Reddy dell'Università del Michigan (USA), era necessario poter confrontare le previsioni teoriche con le misurazioni. 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.