AForscherteam hat kürzlich eine Studie veröffentlicht, von der sie glauben, dass das weithin verehrte Wiedemann-Franz-Gesetz fehlerhaft sein könnte. Mit unterkühlten fermionischen Lithiumatomen scheint das Team gezeigt zu haben, dass das Gesetz auf Quantenebene zusammenbricht.
Diese Entdeckung ist nicht nur interessant, sie könnte auch neue Wege eröffnen, um neuartige Anwendungen für die thermoelektrischen Geräte der Zukunft zu testen.
Was ist dasWiedemann-Franz-Gesetz?
DerWiedemann-Franz-Gesetz wurde zuerst formuliert in 1853 und beschreibt den Zusammenhang zwischen thermischer und elektrischer Leitfähigkeit in Metallen mit frei beweglichen Elektronen.
Hier ist die Wärmeleitfähigkeit k definiert als der Grad der Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Die elektrische Leitfähigkeit σ ist der Grad oder das Maß der Fähigkeit eines Materials, Elektrizität zu leiten.
Es wird durch die Formel gegeben:-
Wo:-
K = Wärmeleitfähigkeit;
σ = Elektrische Leitfähigkeit;
L = Die Lorenz-Zahl 2,44 x 10-8 WΩK-2 und;
T = Temperatur.
Diese Grundformel kann dann abgeleitet werden, um andere Variablen wie inhomogene Materialien wie Gase, Temperaturgradienten, Wärmeflussrichtung usw. einzubeziehen.
In seiner modernen Form besagt das Gesetz im Wesentlichen, dass bei jeder festen Temperatur ein Verhältnis zwischen thermischer und elektrischer Leitfähigkeit konstant ist.
Es ist traditionell bekannt, dass in Dingen wie Metallen, wenn die Temperatur ansteigt, die Geschwindigkeit aller freien Elektronen zunimmt. Dies führt zu einer Erhöhung der Wärmeübertragung, erhöht aber auch die Kollisionen zwischen Metallgitterionen und ihren neu angeregten Elektronen.
Dies führt zu einem Abfall der relativen elektrischen Leitfähigkeit des Materials.
Vor dieser Studie schien es, dass dieses Verhältnis universell ist und daher für eine erstaunliche Reihe von Metallen und Bedingungen gleich ist.
Trotzdem ist eswurde notiert dass diese "universellen" Bedingungen zusammenbrechen, wenn die Wärmeträger miteinander interagieren zum Beispiel beim Schmelzen. Dies wurde in einer kleinen Stichprobe exotischer Metalle mit stark korrelierten Elektronen festgestellt.
Inwiefern widerspricht dieses Experiment dem Gesetz?
Dominik Husmann, Laura Corman und Kollegen der Tilman Esslinger am Institut für Quantenelektronik arbeitete in Zusammenarbeit mit Jean-Philippe Brantut an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL.
Ihr kürzlich veröffentlichter Artikel in der ZeitschriftProceedings of the National Academy of Sciences scheint herausgefunden zu haben, dass eine Reihe interessanter Verhaltensweisen bei Metall auftretenFermion-Atome wechselwirken in einem gekoppelten Wärmetransportsystem.
Für ihr StudiumSie verwendeten fermionische Lithiumatome als Träger und kühlten sie auf Temperaturen unter einem Mikrokelvin ab und begrenzten sie mit Laserstrahlen. Ausgehend von einigen Hunderttausend in zwei diskreten Reservoirs konnten sie das eine oder andere nach Belieben unabhängig voneinander erhitzen.
Sobald ein Temperaturunterschied zwischen den beiden erreicht wurde durch Bestrahlen eines von ihnen mit einem Laser, definierte und kontrollierte ein weiterer winziger Laser eine Begrenzung, genannt aQuantenpunktkontakt, wurde geöffnet, um die beiden zu 'verbinden'.
Das Experiment bietet daher eine außerordentlich saubere Plattform für die Untersuchung des fermionischen Transports.
Als das Team jedoch das Verhältnis zwischen der Wärme- und der Partikelleitfähigkeit des Systems berechnete, schien es eine Größenordnung "aus dem Gleichgewicht" zu sein, als das erwartete Ergebnis der .Wiedemann-Franz-Gesetz.
Es scheint, dass sich ihr Experiment in einen Zustand entwickelt hat, in dem Wärme- und Teilchenübertragungsströme verschwanden, lange bevor ein Anschein eines Gleichgewichts zwischen den beiden Reservoirs erreicht wurde.
Dies stellt nicht nur neue Herausforderungen für die mikroskopische Modellierung von wechselwirkenden Fermionensystemen, sondern könnte auch Wege eröffnen, um neue Konzepte für thermoelektrische Geräte zu finden. Dazu könnten beispielsweise Kühler und Motoren, die auf der Umwandlung von Temperaturunterschieden in Partikelströme und umgekehrt basieren.
Der Artikel wurde in der Zeitschrift veröffentlichtProceedings of the National Academy of Sciences.
Über: ETH Zürich