Une étude explorant le couplage entre la chaleur et les courants de particules dans un gaz d'atomes en interaction forte met en évidence le rôle fondamental des corrélations quantiques dans les phénomènes de transport, enfreint la loi de Wiedemann-Franz, et devrait ouvrir une voie expérimentale pour tester de nouvelles idées pour les dispositifs thermoélectriques.

De l'expérience quotidienne, nous savons que les métaux sont de bons conducteurs pour l'électricité et la chaleur - pensez à la cuisson par induction ou aux appareils électroniques qui se réchauffent avec une utilisation intense. Ce lien intime de la chaleur et du transport électrique n'est pas un hasard. Dans les métaux typiques, les deux types de conductivité proviennent du flux d'électrons libres, qui se déplacent comme un gaz de particules indépendantes à travers le matériau. Mais lorsque les porteurs fermioniques tels que les électrons interagissent les uns avec les autres, alors des phénomènes inattendus peuvent survenir, comme rapporté cette semaine dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences . Étudier la conduction de la chaleur et des particules dans un système d'atomes fermioniques en interaction forte, une collaboration de recherche comprenant Dominik Husmann de l'ETH Zurich a découvert une gamme de comportements déroutants qui distinguent ce système des systèmes connus dans lesquels les deux formes de transport sont couplées.

Dans les métaux, la connexion de la conductivité thermique et électrique est décrite par la loi de Wiedemann-Franz, qui a été formulée pour la première fois en 1853. Dans sa forme moderne, la loi stipule qu'à une température fixe, le rapport entre les deux types de conductivité est constant. La valeur de ce rapport est assez universelle, étant le même pour une gamme remarquablement large de métaux et de conditions. Cette universalité s'effondre, cependant, lorsque les transporteurs interagissent les uns avec les autres. Cela a été observé dans une poignée de métaux exotiques hébergeant des électrons fortement corrélés. Mais Husmann et ses collègues ont maintenant exploré le phénomène dans un système dans lequel ils avaient un contrôle exquis sur tous les paramètres pertinents, leur permettant de surveiller le transport des particules et de la chaleur avec des détails sans précédent.

Transports propres

Les porteurs de leurs expériences sont des atomes de lithium fermioniques, que les chercheurs ont refroidi à des températures inférieures au micro-kelvin et piégé à l'aide de faisceaux laser. Initialement, ils ont confiné quelques centaines de milliers de ces atomes dans deux réservoirs indépendants pouvant être chauffés individuellement. Une fois la différence de température entre les deux réservoirs établie, ils ont ouvert une minuscule restriction entre eux - un soi-disant contact ponctuel quantique - initiant ainsi le transport de particules et de chaleur (voir la figure). Le canal de transport est défini et contrôlé à l'aide de la lumière laser, également. L'expérience fournit donc une plate-forme extraordinairement propre pour étudier le transport fermionique. Par exemple, en matériaux réels, le réseau à travers lequel les électrons circulent commence à fondre à haute température. En revanche, dans la configuration à atomes froids, avec les structures définies par la lumière, aucun tel « chauffage en treillis » ne se produit, permettant de se concentrer sur les porteurs eux-mêmes.

Lorsque Husmann et al. déterminé le rapport entre la conductivité thermique et particulaire dans leur système, ils ont trouvé que c'était un ordre de grandeur inférieur aux prédictions de la loi de Wiedemann-Franz. Cet écart indique une séparation des mécanismes responsables des courants de particules et de chaleur, contrairement à la situation si universellement observée pour les transporteurs gratuits. Par conséquent, leur système a évolué vers un état dans lequel les courants de chaleur et de particules ont disparu bien avant qu'un équilibre entre les deux réservoirs en termes de température et de nombre de particules ne soit atteint.

De plus, une autre mesure du comportement thermoélectrique, le coefficient Seebeck, s'est avéré avoir une valeur proche de celle attendue pour un gaz de Fermi sans interaction. C'est déroutant, car dans certaines régions de la Manche, les atomes en interaction forte étaient dans le régime superfluide (dans lequel un gaz ou un liquide s'écoule sans viscosité) et dans le superfluide prototypique, hélium-4, le coefficient Seebeck est nul. Cet écart signale un caractère thermoélectrique différent pour le gaz fermionique étudié par l'équipe de l'ETH.

Ces découvertes posent donc de nouveaux défis pour la modélisation microscopique des systèmes de fermions en interaction forte. À la fois, la plateforme mise en place avec ces expériences pourrait permettre d'explorer de nouveaux concepts de dispositifs thermoélectriques, tels que les refroidisseurs et les moteurs basés sur l'interconversion des différences de température en flux de particules, et vice versa.