Forskere viser, at en gammel lov stadig gælder for skæve kvantematerialer

Længe før forskere opdagede elektronen og dens rolle i at generere elektrisk strøm, kendte de til elektricitet og udforskede dens potentiale. En ting, de tidligt lærte, var, at metaller var gode ledere af både elektricitet og varme.

I 1853 viste to videnskabsmænd, at disse to beundringsværdige egenskaber ved metaller på en eller anden måde var relaterede:Ved enhver given temperatur var forholdet mellem elektronisk ledningsevne og termisk ledningsevne nogenlunde det samme i ethvert metal, de testede. Denne såkaldte Wiedemann-Franz-lov har holdt sig lige siden - undtagen i kvantematerialer, hvor elektroner holder op med at opføre sig som individuelle partikler og glomer sammen til en slags elektronsuppe. Eksperimentelle målinger har vist, at den 170 år gamle lov bryder sammen i disse kvantematerialer, og det med en hel del.

Nu antyder et teoretisk argument fremsat af fysikere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University og University of Illinois, at loven i virkeligheden omtrent burde gælde for én type kvantemateriale - kobberoxid-superlederne, eller cuprates, som leder elektricitet uden tab ved relativt høje temperaturer.

I et papir udgivet i Science i dag foreslår de, at Wiedemann-Franz-loven stadig groft sagt skal holde, hvis man kun betragter elektronerne i cuprates. De foreslår, at andre faktorer, såsom vibrationer i materialets atomare gitterværk, skal tage højde for eksperimentelle resultater, der får det til at se ud som om, at loven ikke gælder.

Dette overraskende resultat er vigtigt for at forstå ukonventionelle superledere og andre kvantematerialer, sagde Wen Wang, hovedforfatter af papiret og en ph.d. studerende ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC.

"Den oprindelige lov blev udviklet for materialer, hvor elektroner interagerer svagt med hinanden og opfører sig som små kugler, der hopper af defekter i materialets gitter," sagde Wang. "Vi ønskede at teste loven teoretisk i systemer, hvor ingen af ​​disse ting var sande."

Prælning af et kvanteløg

Superledende materialer, som fører elektrisk strøm uden modstand, blev opdaget i 1911. Men de fungerede ved så ekstremt lave temperaturer, at deres anvendelighed var ret begrænset.

Det ændrede sig i 1986, da den første familie af såkaldte højtemperatur- eller ukonventionelle superledere - kupraterne - blev opdaget. Selvom cuprates stadig kræver ekstremt kolde forhold for at udføre deres magi, vakte deres opdagelse håb om, at superledere en dag kunne arbejde meget tættere på stuetemperatur - hvilket gør revolutionerende teknologier som strømledninger uden tab mulige.

Efter næsten fire årtiers forskning er dette mål stadig uhåndgribeligt, selvom der er gjort store fremskridt med at forstå de betingelser, hvorunder superledende stater vender ind og ud af eksistensen.

Teoretiske undersøgelser, udført ved hjælp af kraftige supercomputere, har været afgørende for at fortolke resultaterne af eksperimenter på disse materialer og for at forstå og forudsige fænomener, der er uden for eksperimentel rækkevidde.

Til denne undersøgelse kørte SIMES-teamet simuleringer baseret på det, der er kendt som Hubbard-modellen, som er blevet et essentielt værktøj til at simulere og beskrive systemer, hvor elektroner holder op med at handle uafhængigt og går sammen om at producere uventede fænomener.

Resultaterne viser, at når man kun tager elektrontransport i betragtning, nærmer forholdet mellem elektronisk ledningsevne og termisk ledningsevne sig, hvad Wiedemann-Franz-loven forudsiger, sagde Wang. "Så de uoverensstemmelser, der er blevet set i eksperimenter, burde komme fra andre ting som fononer eller gittervibrationer, der ikke er i Hubbard-modellen," sagde hun.

SIMES-medarbejder og medforfatter Brian Moritz sagde, at selvom undersøgelsen ikke undersøgte, hvordan vibrationer forårsager uoverensstemmelserne, "ved systemet på en eller anden måde stadig, at der er denne overensstemmelse mellem ladning og varmetransport blandt elektronerne. Det var det mest overraskende resultat. ."

Herfra tilføjede han, "måske kan vi skrælle løget for at forstå lidt mere."

Flere oplysninger: Wen O. Wang et al, Wiedemann-Franz lov i dopede Mott-isolatorer uden kvasipartikler, Science (2023). DOI:10.1126/science.ade3232. www.science.org/doi/10.1126/science.ade3232

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory