WARMTE DIE VAN HEET NAAR KOUD STROOMT IS GEQUANTISEERD

Een ijzeren staaf die aan één kant in een vlam wordt gehouden, geleidt de warmte naar het koude uiteinde. Ook wanneer hetzelfde experiment op kleine schaal wordt uitgevoerd – met een staafje van een paar honderd atomen breed – vindt er energietransport plaats, alleen gaan daarbij quantummechanische effecten een rol spelen. Dat wordt deze week op overtuigende wijze aangetoond door natuurkundigen van het California Institute of Technology in Pasadena. Zij laten zien dat in structuren met afmetingen van enkele honderden nanometers de hoeveelheid warmte die van de hete naar de koude kant stroomt, gebonden is aan een maximum, dat wil zeggen, gequantiseerd is (Nature, 27 april).

In een vaste stof kan warmte op twee manieren worden getransporteerd. Het snelste gebeurt het in metalen of andere geleiders waarin vrije elektronen voor dit doel beschikbaar zijn. Maar ook in stoffen die isoleren vindt warmtetransport plaats, namelijk door middel van de trillende atomen. Dat gaat veel langzamer, omdat die nu eenmaal niet van hun plaats komen. Ze staan echter niet zomaar willekeurig te trillen, maar stemmen hun onderlinge vibraties op elkaar af, waardoor er een soort golven ontstaan die fononen genoemd worden. Normaal gesproken zijn er bij het doorgeven van dergelijke warmtetrillingen fononen met heel verschillende golflengtes betrokken. Wanneer de structuren waarin warmte-overdracht geschiedt steeds kleiner worden, worden bepaalde golflengtes echter uitgesloten, doordat ze eenvoudig niet meer passen.

Onder leiding van Michael Roukes bepaalden de Amerikaanse onderzoekers wat er gebeurt bij het warmtetransport over een bruggetje van siliciumnitride van maar een paar honderd atomen breed. In principe is dat een simpel proefje: verwarm de ene kant van het draadje en meet het ontstane temperatuurverschil. De experimentele moeilijkheden waar de onderzoekers voor stonden, mogen echter niet worden onderschat. Het draadje moet vrij worden opgehangen om het goed te kunnen isoleren van zijn omgeving. Verder mag er bij het opwarmen maar heel weinig warmte worden gegenereerd en mag de temperatuurmeting zelf geen verstoringen veroorzaken.

De experimenten werden uiteindelijk uitgevoerd met een vermogen van niet meer dan een paar attowatt (één-biljardste watt). Bij temperaturen van ongeveer een graad boven het absolute nulpunt bleek dat warmte in vaste pakketjes wordt overgedragen. Een soortgelijk gedrag – gequantiseerde geleiding – was meer dan tien jaar geleden waargenomen voor een elektrische stroom door een heel dun draadje.