Lang voordat onderzoekers het elektron en zijn rol bij het opwekken van elektrische stroom ontdekten, wisten ze al van elektriciteit en waren ze de mogelijkheden ervan aan het onderzoeken. Eén ding dat ze al vroeg leerden, was dat metalen uitstekende geleiders zijn van zowel elektriciteit als warmte.

In 1853 toonden twee wetenschappers aan dat deze twee bewonderenswaardige eigenschappen van metalen op de een of andere manier met elkaar verband hielden:bij elke gegeven temperatuur was de verhouding tussen elektronische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid ruwweg hetzelfde in elk metaal dat ze testten. Deze zogenaamde wet van Wiedemann-Franz is sindsdien van kracht gebleven, behalve in kwantummaterialen, waar elektronen zich niet langer als individuele deeltjes gedragen en samensmelten tot een soort elektronensoep. Experimentele metingen hebben aangetoond dat de 170 jaar oude wet in deze kwantummaterialen faalt, en wel in een behoorlijke mate.

Een theoretisch argument van natuurkundigen van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, Stanford University en de University of Illinois suggereert dat de wet in feite ongeveer zou moeten gelden voor één type kwantummateriaal:de koperoxide-supergeleiders. of cuprates, die elektriciteit geleiden zonder verlies bij relatief hoge temperaturen.

In een artikel gepubliceerd in Science Tegenwoordig stellen ze voor dat de wet van Wiedemann-Franz nog steeds grofweg geldt als je alleen de elektronen in cuprates beschouwt. Ze suggereren dat andere factoren, zoals trillingen in het atomaire roosterwerk van het materiaal, verantwoordelijk moeten zijn voor experimentele resultaten waardoor het lijkt alsof de wet niet van toepassing is.

Dit verrassende resultaat is belangrijk voor het begrijpen van onconventionele supergeleiders en andere kwantummaterialen, zegt Wen Wang, hoofdauteur van het artikel en een Ph.D. student aan het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) aan SLAC.

"De oorspronkelijke wet is ontwikkeld voor materialen waarbij elektronen zwak met elkaar interageren en zich gedragen als kleine balletjes die tegen defecten in het materiaalrooster stuiteren", zei Wang. "We wilden de wet theoretisch testen in systemen waarin geen van deze dingen waar was."

Een kwantumui pellen

Supergeleidende materialen, die elektrische stroom geleiden zonder weerstand, werden ontdekt in 1911. Maar ze werkten bij zulke extreem lage temperaturen dat hun bruikbaarheid vrij beperkt was.

Dat veranderde in 1986 toen de eerste familie van zogenaamde hoge-temperatuur- of onconventionele supergeleiders – de cuprates – werd ontdekt. Hoewel cuprates nog steeds extreem koude omstandigheden nodig hebben om hun magie te laten werken, wekte hun ontdekking de hoop dat supergeleiders ooit bij veel dichter bij kamertemperatuur zouden kunnen werken, waardoor revolutionaire technologieën zoals verliesvrije elektriciteitsleidingen mogelijk worden.

Na bijna vier decennia van onderzoek is dat doel nog steeds ongrijpbaar, hoewel er veel vooruitgang is geboekt in het begrijpen van de omstandigheden waarin supergeleidende toestanden in en uit bestaan.

Theoretische studies, uitgevoerd met behulp van krachtige supercomputers, zijn essentieel geweest voor het interpreteren van de resultaten van experimenten met deze materialen en voor het begrijpen en voorspellen van verschijnselen die buiten experimenteel bereik liggen.

Voor deze studie voerde het SIMES-team simulaties uit op basis van wat bekend staat als het Hubbard-model, dat een essentieel hulpmiddel is geworden voor het simuleren en beschrijven van systemen waarin elektronen niet langer onafhankelijk handelen en hun krachten bundelen om onverwachte verschijnselen te veroorzaken.

De resultaten laten zien dat wanneer je alleen rekening houdt met elektronentransport, de verhouding tussen elektronische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid benadert wat de wet van Wiedemann-Franz voorspelt, zei Wang. "Dus de discrepanties die in experimenten zijn waargenomen, zouden afkomstig moeten zijn van andere zaken, zoals fononen of roostervibraties, die niet in het Hubbard-model voorkomen", zei ze.

SIMES-stafwetenschapper en co-auteur van een artikel, Brian Moritz, zei dat, hoewel in de studie niet werd onderzocht hoe trillingen de discrepanties veroorzaken, "het systeem op de een of andere manier nog steeds weet dat er een overeenkomst bestaat tussen lading en warmtetransport tussen de elektronen. Dat was het meest verrassende resultaat ."

Vanaf hier, voegde hij eraan toe, "kunnen we misschien de ui pellen om er iets meer inzicht in te krijgen."

Meer informatie: Wen O. Wang et al, De wet van Wiedemann-Franz in gedoteerde Mott-isolatoren zonder quasideeltjes, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.ade3232. www.science.org/doi/10.1126/science.ade3232

Journaalinformatie: Wetenschap

Geleverd door SLAC National Accelerator Laboratory