In de wereld van de natuurkunde zijn er bepaalde wetten en principes die als fundamenteel worden beschouwd en die ons begrip van hoe het universum werkt vormgeven. Een daarvan is de wet van Wiedemann-Franz, die de thermische en elektrische geleidbaarheid van metalen met elkaar in verband brengt. Deze wet, voor het eerst voorgesteld in de 19e eeuw, is uitgebreid bestudeerd en geverifieerd in verschillende materialen. De toepasbaarheid ervan in bepaalde onconventionele materialen, zoals kwantummaterialen, is echter een open vraag gebleven.

Een recent onderzoek uitgevoerd door een team onderzoekers van de Universiteit van Maryland en het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft licht geworpen op deze vraag. Het team onderzocht verschillende eigenzinnige kwantummaterialen, bekend als topologische halfmetalen, om te bepalen of de wet van Wiedemann-Franz in deze systemen gold.

Topologische halfmetalen zijn een klasse materialen die opmerkelijke elektronische eigenschappen vertonen, zoals de aanwezigheid van topologische oppervlaktetoestanden en de mogelijkheid om exotische kwantumfenomenen te realiseren. Vanwege hun unieke kenmerken was het onduidelijk of de conventionele wetten van de natuurkunde, zoals de wet van Wiedemann-Franz, op deze materialen van toepassing zouden zijn.

Om deze vraag te beantwoorden heeft het onderzoeksteam gedetailleerde metingen uitgevoerd van de thermische en elektrische geleidbaarheid van verschillende topologische halfmetalen, waaronder wolfraamditelluride (WTe2), niobiumarsenide (NbAs) en tantaalarsenide (TaAs). Uit hun resultaten bleek dat, ondanks de onconventionele aard van deze materialen, de wet van Wiedemann-Franz inderdaad geldt voor topologische halfmetalen.

Deze observatie suggereert dat de wet van Wiedemann-Franz een breder toepassingsgebied heeft dan eerder werd gedacht, en zich uitstrekt tot zelfs exotische kwantummaterialen. De consistentie van deze fundamentele relatie benadrukt de universaliteit van bepaalde natuurkundige wetten, ongeacht de onderliggende complexiteit van het materiaal.

Bovendien biedt de studie waardevolle inzichten in de fundamentele eigenschappen van topologische halfmetalen. Door de geldigheid van de wet van Wiedemann-Franz in deze materialen vast te stellen, verkrijgen onderzoekers aanvullende informatie over hun elektronische structuur, ladingstransportmechanismen en thermische transporteigenschappen. Deze kennis kan cruciaal zijn voor de ontwikkeling en optimalisatie van apparaten op basis van topologische halfmetalen, die veelbelovend potentieel hebben voor toekomstige technologieën.

Samenvattend tonen de bevindingen van het onderzoeksteam aan dat de wet van Wiedemann-Franz niet beperkt is tot conventionele metalen, maar ook van toepassing is op eigenzinnige kwantummaterialen zoals topologische halfmetalen. Deze observatie onderstreept de universaliteit van bepaalde natuurkundige wetten, waardoor een dieper inzicht ontstaat in de fundamentele eigenschappen van deze onconventionele materialen en de weg wordt vrijgemaakt voor hun potentiële technologische toepassingen.