Wärmetransport auf der Quantenskala
Fundamentales Maximum für Wärmeleitfähigkeit erstmals mit Elektronen bestimmt.
Makroskopisch kann der Wärmetransport durch Festkörper oder stehende Flüssigkeiten mit den Gesetzen der Thermodynamik in Zahlen gefasst werden. Auf der Quantenebene jedoch dienen einzelne Teilchen und definierte Transportkanäle einer quantitativen Analyse. Theoretisch vollzieht sich ein Wärmetransport unabhängig von den wärmetragenden Partikeln, experimentell gezeigt wurde es bislang jedoch nur für Bosonen. Ein französisches Team von Physikern bestimmte nun das Quantenlimit für den Wärmetransport durch einen einzigen Kanal für Elektronen. Ihre Messungen zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den theoretischen Modellen.
Abb.: Auf dieser mikroskopisch kleinen Metallplatte konnte über ein zweidimensionales Elektronengas der quantisierte Wärmetransport mit Elektronen bestimmt werden. (Bild: F. Pierre / CNRS)
„Die quantisierte Wärmeleitung setzt ein fundamentales Maximum für den Wärmetransport durch einen einzelnen Transportkanal“, sagt Frédéric Pierre vom CNRS-Laboratoire de Photonique et Nanostructures in Marcoussis bei Paris. Diese Grenze gilt als weitestgehend universal, unabhängig vom Typ der wärmetragenden Partikel, Bosonen oder Fermionen. Für die erste Messung dieses Quantenlimits an Fermionen entwickelte die Arbeitsgruppe ein ausgeklügeltes Experiment, mit dem sich mit einer aufwendigen Thermometrie der Wärmetransport von Elektronen durch einen einzigen Kanal bestimmen ließ.
Die Oberfläche eines mikroskopisch kleinen Metallplättchens strukturierten Pierre und Kollegen so fein, dass zwei Wärmereservoirs nur über zwei Quantenleiterbahnen miteinander verknüpft waren. Tiefgekühlt auf zehn Millikelvin heizten sie ein Ende elektrisch mit einer Leistung von einigen Femtowatt auf. Als Wärmekanal diente ihnen ein zweidimensionales Elektronengas auf der Basis von Galliumaluminiumarsenid. Über Quantenpunkte kontaktiert konnten nun Elektronen durch diesen Kanal Wärme transportieren. Die Temperaturmessung beider Reservoire erfolgte über eine hochsensitive Rauschthermometrie, mit der sich Änderungen im Millikelvin-Bereich mit relativ hoher Genauigkeit bestimmen ließen.
Die Messergebnisse zeigten eine große Übereinstimmung mit dem theoretisch vorhergesagten Limit für einen maximal möglichen Wärmetransport. Pro Teilchen entsprach das etwa GQ=(1 pW/K2)T mit einem Messfehler von unter zehn Prozent. Frühere Messungen mit Bosonen lieferten vergleichbare Werte, so dass nun die Unabhängigkeit des quantisierten Wärmetransport von der Art der Teilchen experimentell belegt werden konnte. Mit diesem grundlegende Experiment bestätigten die Wissenschaftler aber nicht nur das theoretische Modell. „Es eröffnet ein weites Feld für die Untersuchung von Quantenwärmeeffekten auf der Nanoskala“, sagt Frédéric Pierre.
Jan Oliver Löfken
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