Le contrôle précis du transport des électrons en microélectronique rend possibles des circuits logiques complexes qui sont utilisés quotidiennement dans les smartphones et les ordinateurs portables. Le transport de la chaleur est d'une importance fondamentale similaire et son contrôle est par exemple nécessaire pour refroidir efficacement les puces de plus en plus petites. Une équipe internationale comprenant des physiciens théoriciens de Constance, Le professeur junior Fabian Pauly et le professeur Peter Nielaba et leur personnel, a réalisé une véritable percée dans une meilleure compréhension du transport de chaleur à l'échelle nanométrique. L'équipe a utilisé un système que les expérimentateurs en nanoscience peuvent aujourd'hui réaliser de manière assez routinière et continue de servir de "mouche à fruits" pour des découvertes révolutionnaires :une chaîne d'atomes d'or. Ils l'ont utilisé pour démontrer la quantification de la partie électronique de la conductance thermique. L'étude montre également que la loi de Wiedemann-Franz, une relation de la physique classique, reste valable jusqu'au niveau atomique. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Science le 16 février 2017.

Pour commencer, l'objet de test est un fil d'or microscopique. Ce fil est tiré jusqu'à ce que sa section transversale ne fasse qu'un atome de large et qu'une chaîne d'atomes d'or se forme, avant qu'il ne se brise enfin. Les physiciens envoient du courant électrique à travers cette chaîne atomique, c'est à travers le fil le plus fin imaginable. A l'aide de différents modèles théoriques, les chercheurs peuvent prédire la valeur de conductance du transport électrique, et aussi le confirmer par l'expérience. Cette valeur de conductance électrique indique la quantité de courant de charge qui circule lorsqu'une tension électrique est appliquée. La conductance thermique, qui indique la quantité de flux de chaleur pour une différence de température, n'a pas encore pu être mesuré pour de tels fils atomiques.

Maintenant, la question était de savoir si la loi de Wiedemann-Franz, qui stipule que la conductance électrique et la conductance thermique sont proportionnelles l'une à l'autre, reste valable aussi à l'échelle atomique. Généralement, les électrons ainsi que les oscillations atomiques (également appelées vibrations ou phonons) contribuent au transport de la chaleur. La mécanique quantique doit être utilisée, au niveau atomique, pour décrire à la fois le transport des électrons et des phonons. La loi de Wiedemann-Franz, cependant, décrit seulement la relation entre les propriétés électroniques macroscopiques. Par conséquent, au départ, les chercheurs devaient découvrir à quel point la contribution des phonons est élevée à la conductance thermique.

Les doctorants Jan Klöckner et Manuel Matt ont effectué des calculs théoriques complémentaires, qui a montré qu'habituellement la contribution des phonons au transport de chaleur dans les fils d'or atomiquement minces est inférieure à dix pour cent, et n'est donc pas décisif. À la fois, les simulations confirment l'applicabilité de la loi de Wiedemann-Franz. Manuel Matt a utilisé un méthode bien que moins précise qui a fourni des résultats statistiques pour de nombreux événements d'étirement du fil d'or pour calculer la partie électronique de la valeur de conductance thermique, tandis que Jan Klöckner a appliqué la théorie de la fonctionnelle de la densité pour estimer les contributions électroniques et phononiques dans les géométries de contact individuelles. La quantification de la conductance thermique dans les chaînes en or, comme le prouve l'expérience, résulte finalement de la combinaison de trois facteurs :la quantification de la valeur de la conductance électrique en unités de ce qu'on appelle le quantum de conductance (deux fois la constante de Klitzing inverse 2e2/h), le rôle négligeable des phonons dans le transport de chaleur et la validité de la loi de Wiedemann-Franz.

Depuis un certain temps, il est possible de calculer théoriquement, à l'aide de modèles informatiques développés dans les équipes de Fabian Pauly et Peter Nielaba, comment les charges et la chaleur circulent à travers les nanostructures. Un montage expérimental très précis, tel que créé par les collègues expérimentaux Professeur Edgar Meyhofer et Professeur Pramod Reddy de l'Université du Michigan (USA), était nécessaire pour pouvoir comparer les prédictions théoriques avec les mesures. 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.