Långt innan forskare upptäckte elektronen och dess roll i att generera elektrisk ström, visste de om elektricitet och undersökte dess potential. En sak som de tidigt lärde sig var att metaller var bra ledare av både elektricitet och värme.
År 1853 visade två forskare att dessa två beundransvärda egenskaper hos metaller på något sätt var relaterade:Vid varje given temperatur var förhållandet mellan elektronisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga ungefär detsamma i alla metaller de testade. Denna så kallade Wiedemann-Franz-lag har hållit ända sedan dess — förutom i kvantmaterial, där elektroner slutar bete sig som individuella partiklar och glom ihop till en sorts elektronsoppa. Experimentella mätningar har visat att den 170-åriga lagen går sönder i dessa kvantmaterial, och det med en hel del.
Nu föreslår ett teoretiskt argument som lagts fram av fysiker vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University och University of Illinois att lagen i själva verket borde gälla för en typ av kvantmaterial - kopparoxidsupraledarna, eller kuprater, som leder elektricitet utan förlust vid relativt höga temperaturer.
I en artikel publicerad i Science i dag föreslår de att Wiedemann-Franz-lagen fortfarande ungefär ska gälla om man bara tar hänsyn till elektronerna i kuprater. De föreslår att andra faktorer, som vibrationer i materialets atomnätverk, måste stå för experimentella resultat som får det att se ut som att lagen inte gäller.
Detta överraskande resultat är viktigt för att förstå okonventionella supraledare och andra kvantmaterial, säger Wen Wang, huvudförfattare till tidningen och doktor. student vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC.
"Den ursprungliga lagen utvecklades för material där elektroner interagerar svagt med varandra och beter sig som små bollar som studsar av defekter i materialets gitter", sa Wang. "Vi ville testa lagen teoretiskt i system där ingen av dessa saker stämde."
Supraledande material, som bär elektrisk ström utan motstånd, upptäcktes 1911. Men de fungerade vid så extremt låga temperaturer att deras användbarhet var ganska begränsad.
Det ändrades 1986 när den första familjen av så kallade högtemperatur- eller okonventionella supraledare – kupraterna – upptäcktes. Även om kuprater fortfarande kräver extremt kalla förhållanden för att göra sin magi, väckte deras upptäckt förhoppningar om att supraledare en dag skulle kunna arbeta vid mycket närmare rumstemperatur – vilket gör revolutionerande teknik som kraftledningar utan förlust möjliga.
Efter nästan fyra decennier av forskning är det målet fortfarande svårfångat, även om många framsteg har gjorts när det gäller att förstå de förhållanden under vilka supraledande tillstånd slår in och ut ur existensen.
Teoretiska studier, utförda med hjälp av kraftfulla superdatorer, har varit avgörande för att tolka resultaten av experiment på dessa material och för att förstå och förutsäga fenomen som ligger utanför experimentell räckvidd.
För den här studien körde SIMES-teamet simuleringar baserade på vad som kallas Hubbard-modellen, som har blivit ett viktigt verktyg för att simulera och beskriva system där elektroner slutar agera självständigt och går samman för att skapa oväntade fenomen.
Resultaten visar att när man bara tar hänsyn till elektrontransport, närmar sig förhållandet mellan elektronisk konduktivitet och värmeledningsförmåga vad Wiedemann-Franz-lagen förutspår, sa Wang. "Så, avvikelserna som har setts i experiment borde komma från andra saker som fononer eller gittervibrationer, som inte finns i Hubbard-modellen," sa hon.
SIMES personalforskare och medförfattare Brian Moritz sa att även om studien inte undersökte hur vibrationer orsakar avvikelserna, "på något sätt vet systemet fortfarande att det finns denna överensstämmelse mellan laddning och värmetransport mellan elektronerna. Det var det mest överraskande resultatet. ."
Härifrån, tillade han, "kanske kan vi skala löken för att förstå lite mer."
Mer information: Wen O. Wang et al, The Wiedemann-Franz law in doped Mott insulators without quasiparticles, Science (2023). DOI:10.1126/science.ade3232. www.science.org/doi/10.1126/science.ade3232
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
