Průlom při pochopení přepravy tepla řetězcem zlata

Our Miss Brooks: Deacon Jones / Bye Bye / Planning a Trip to Europe / Non-Fraternization Policy (Červen 2019).

Anonim

Přesné ovládání transportu elektronů v mikroelektronice umožňuje komplexní logické obvody, které jsou v každodenním používání v smartphonech a notebookech. Přeprava tepla má podobný zásadní význam a její kontrola je například nezbytná k účinnému chlazení stále menších čipů. Mezinárodní tým, včetně teoretických fyziků z Konstanze, mladého profesora Fabiana Paulyho a profesora Petra Nielabu a jejich zaměstnanců, dosáhl skutečného průlomu při lépe pochopení přenosu tepla v nanoscite. Tým používal systém, který experimentální vědci v oblasti nanovědy dokážou dnes běžně realizovat a stále slouží jako "ovocná muška" pro průlomové objevy: řetězec atomů zlata. Použili jej k prokázání kvantování elektronické části tepelné vodivosti. Studie také ukazuje, že zákon Wiedemann-Franz, vztah klasické fyziky, zůstává platný až na atomovou úroveň. Výsledky byly zveřejněny ve vědeckém časopise Science 16. února 2017.

Za prvé, testovaným objektem je mikroskopický zlatý drát. Tento drát je tažen, dokud jeho průřez není jenom jeden atom a řetězec atomů zlata se vytvoří předtím, než se konečně zlomí. Fyzici posílají elektrický proud přes tento atomový řetězec, to je ten nejtenčí drát, který lze představit. Pomocí různých teoretických modelů mohou vědci předpovídat hodnotu vodivosti elektrické dopravy a také ji potvrdit experimentem. Tato hodnota elektrické vodivosti udává, kolik je proud nabíjení při napájení elektrického napětí. Tepelná vodivost, která udává množství tepelného toku při teplotním rozdílu, se zatím nemohla měřit u takových atomových vodičů.

Nyní byla otázka, zda zákon Wiedemann-Franz, který uvádí, že elektrická vodivost a tepelná vodivost jsou navzájem úměrné, zůstává platná i v atomové měřítko. Obecně platí, že elektrony, stejně jako atomové oscilace (také nazývané vibrace nebo fonony) přispívají k přenosu tepla. Kvantová mechanika musí být použita na atomové úrovni, aby popsala transport elektronů i fononů. Zákon Wiedemann-Franz však pouze popisuje vztah mezi makroskopickými elektronickými vlastnostmi. Proto měli zpočátku výzkumníci zjistit, jak vysoký je příspěvek fononů k tepelné vodivosti.

Doktorští výzkumní pracovníci Jan Klöckner a Manuel Matt provedli doplňující teoretické výpočty, které ukázaly, že obvykle příspěvek fononů na dopravu tepla v atomově tenkých zlatých drátech je méně než deset procent, a proto není rozhodující. Současně simulace potvrzují použitelnost zákona Wiedemann-Franz. Manuel Matt použil efektivní, i když méně přesnou metodu, která poskytla statistické výsledky pro mnoho událostí protahování zlatého drátu pro výpočet elektronické části hodnoty tepelné vodivosti, zatímco Jan Klöckner použil teorii funkční hustoty pro odhad elektronických a fononických příspěvků v jednotlivých kontaktech. Kvantizace tepelné vodivosti ve zlatých řetězcích, jak dokládá experiment, je nakonec výsledkem kombinace tří faktorů: kvantifikace hodnoty elektrické vodivosti v jednotkách tzv. Kvantové vodivosti (dvakrát inverzní Klitzingova konstanta 2e2 / h), zanedbatelnou roli fononů v dopravě tepla a platnost zákona Wiedemann-Franz.

Již delší dobu bylo možné teoreticky vypočítat pomocí výpočetních modelů vyvinutých v týmech Fabian Pauly a Peter Nielaba, jak proudy a teplo proudí nanostrukturami. Velmi přesné experimentální uspořádání, které vytvořili experimentální kolegové profesor Edgar Meyhofer a profesor Pramod Reddy z University of Michigan (USA), vyžadovalo, aby bylo možné porovnat teoretické předpovědi s měřeními. V předchozích experimentech byly signály z tepelného toku přes jednotlivé atomové kontakty příliš malé. Skupině Michigan se podařilo zlepšit experiment: nyní může být skutečný signál odfiltrován a měřen.

Výsledky výzkumného týmu umožňují studovat přenos tepla nejen v atomových zlatých kontaktech, ale i v mnoha dalších nanosystémy. Nabízejí příležitost experimentálně a teoreticky prozkoumat mnoho základních kvantových fenoménů přenosu tepla, které by mohly pomoci účinněji využívat energii, například využitím termoelektrické energie.

menu
menu