Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Старый закон все еще действует для причудливых квантовых материалов

Старый закон все еще действует для причудливых квантовых материалов
Старый закон все еще действует для причудливых квантовых материалов

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

В тренде