Задолго до того, как исследователи открыли электрон и его роль в генерации электрического тока, они знали об электричестве и изучали его потенциал. Они рано усвоили одну вещь: металлы являются отличными проводниками как электричества, так и тепла.
В 1853 году два учёных показали, что эти два замечательных свойства металлов каким-то образом связаны: при любой заданной температуре отношение электронной проводимости к теплопроводности было примерно одинаковым в любом металле, который они тестировали. С тех пор этот так называемый закон Видемана-Франца действует, за исключением квантовых материалов, где электроны перестают вести себя как отдельные частицы и слипаются, образуя своего рода электронный суп. Экспериментальные измерения показали, что закон 170-летней давности в этих квантовых материалах нарушается, причем весьма существенно.
Теперь теоретический аргумент, выдвинутый физиками из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Стэнфордского университета и Университета Иллинойса, предполагает, что закон должен фактически выполняться приблизительно для одного типа квантового материала — медно-оксидных сверхпроводников. или купраты, которые проводят электричество без потерь при относительно высоких температурах.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Science , они предполагают, что закон Видемана-Франца должен в общих чертах соблюдаться, если рассматривать только электроны в купратах. Они предполагают, что другие факторы, такие как вибрации в атомной решетке материала, должны учитывать экспериментальные результаты, которые создают впечатление, что закон не применим.
Этот удивительный результат важен для понимания нетрадиционных сверхпроводников и других квантовых материалов, сказал Вэнь Ван, ведущий автор статьи и доктор философии. студент Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) в SLAC.
«Оригинальный закон был разработан для материалов, в которых электроны слабо взаимодействуют друг с другом и ведут себя как маленькие шарики, которые отскакивают от дефектов в решетке материала», — сказал Ван. «Мы хотели теоретически проверить закон в системах, где ни одно из этих утверждений не соответствует действительности».
Чистка квантового лука
Сверхпроводящие материалы, которые проводят электрический ток без сопротивления, были открыты в 1911 году. Но они работали при таких чрезвычайно низких температурах, что их полезность была весьма ограничена.
Ситуация изменилась в 1986 году, когда было открыто первое семейство так называемых высокотемпературных или нетрадиционных сверхпроводников — купратов. Хотя купратам по-прежнему требуются чрезвычайно холодные условия, чтобы творить чудеса, их открытие породило надежды на то, что сверхпроводники когда-нибудь смогут работать при температуре, гораздо ближе к комнатной, что сделает возможными революционные технологии, такие как линии электропередачи без потерь.
После почти четырех десятилетий исследований эта цель все еще недостижима, хотя достигнут значительный прогресс в понимании условий, в которых сверхпроводящие состояния возникают и исчезают.
Теоретические исследования, проводимые с помощью мощных суперкомпьютеров, сыграли важную роль для интерпретации результатов экспериментов с этими материалами, а также для понимания и предсказания явлений, находящихся за пределами экспериментальной досягаемости.
Для этого исследования команда SIMES провела моделирование на основе так называемой модели Хаббарда, которая стала важным инструментом для моделирования и описания систем, в которых электроны перестают действовать независимо и объединяют силы, создавая неожиданные явления.
Результаты показывают, что если принять во внимание только транспорт электронов, отношение электронной проводимости к теплопроводности приближается к тому, что предсказывает закон Видемана-Франца, сказал Ван. «Таким образом, расхождения, которые наблюдались в экспериментах, должны быть связаны с другими вещами, такими как фононы или колебания решетки, которых нет в модели Хаббарда», — сказала она.
Сотрудник SIMES и соавтор статьи Брайан Мориц сказал, что, хотя в исследовании не изучалось, как вибрации вызывают расхождения, «каким-то образом система все еще знает, что существует соответствие между переносом заряда и тепла между электронами. Это был самый удивительный результат».
Отсюда он добавил: «Может быть, мы сможем почистить лук, чтобы понять немного больше».
Теги: квант
