Un nuevo estudio sostiene que la ley de Wiedemann-Franz, que vincula la conductividad eléctrica y térmica, sigue siendo válida para los superconductores de óxido de cobre. Las investigaciones muestran que la difracción en materiales cuánticos proviene de factores no electrónicos, como las vibraciones de la red. Este hallazgo es importante para comprender los superconductores no convencionales y puede conducir a avances en este campo.
Este sorprendente resultado es importante para la comprensión de los superconductores no convencionales y otros materiales donde las bandas de electrones se combinan para trabajar juntas.
Antes de que los investigadores descubrieran el electrón y su papel en la generación de corriente eléctrica, conocían la electricidad y exploraban su potencial. Una cosa que aprendieron desde el principio fue que los metales eran grandes conductores de electricidad y calor.
Descubrimiento de la ley de Wiedemann-Franz
En 1853, dos científicos demostraron que estas dos valiosas propiedades de los metales estaban de alguna manera relacionadas: a cualquier temperatura, la relación entre la conductividad eléctrica y la conductividad térmica era aproximadamente la misma en cualquier metal. Esta llamada ley de Widmann-Franz ha continuado desde entonces, excepto en los materiales cuánticos, donde los electrones dejan de actuar como partículas individuales y se juntan en una especie de sopa de electrones. Las mediciones experimentales indican que la ley de 170 años de antigüedad se desmorona en estos materiales cuánticos, y con bastante lentitud.
Un ejemplo muestra electrones que interactúan fuertemente y transportan calor y carga desde las regiones calientes a las frías de un material cuántico. Un estudio teórico realizado por SLAC, Stanford y la Universidad de Illinois encontró que la relación entre el transporte de calor y el transporte de carga en los cupratos (un material cuántico como éste, donde los electrones se unen y actúan cooperativamente) debería ser la misma que en condiciones normales. metales, donde los electrones actúan individualmente. Este sorprendente resultado echa por tierra la idea de que la ley de Wiedemann-Franz, de 170 años de antigüedad, no se aplica a los materiales cuánticos. Crédito: Greg Stewart/SLAC Nacional. Laboratorio acelerado
Nuevos conocimientos sobre materiales cuánticos
Ahora, un argumento teórico presentado por físicos del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford y la Universidad de Illinois sugiere que la ley debería, de hecho, aplicarse aproximadamente para un tipo de material cuántico: el superóxido de óxido de cobre. o cupratos, que conducen la electricidad a temperaturas relativamente altas sin sufrir daños.
En un artículo publicado en la revista ciencia El 30 de noviembre sugieren que la ley de Wiedemann-Franz aún debería aproximarse si se consideran sólo los electrones de la cuprita. Sugieren que otros factores, como las vibraciones en la red atómica del material, deben explicar los resultados experimentales que muestran que la ley no se aplica.
Comprender los superconductores no convencionales
Este sorprendente resultado es importante para comprender los superconductores no convencionales y otros materiales cuánticos, dijo Wen Wang, autor principal del artículo y estudiante de doctorado en el Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) en SLAC.
«La ley original fue desarrollada para materiales donde los electrones interactúan débilmente entre sí y se comportan como pequeñas bolas que rebotan en los defectos de la red del material», dijo Wang. «Queríamos probar la ley teóricamente en un sistema donde ninguna de estas cosas fuera cierta».
Pelar la cebolla cuántica
Los materiales superconductores, que transportan corriente eléctrica sin resistencia, fueron descubiertos en 1911, pero operaban a temperaturas tan bajas que su utilidad era muy limitada.
Esto cambió en 1986, cuando se descubrió la primera familia de los llamados superconductores de alta temperatura o no convencionales: los cupratos. Aunque los cupratos todavía requieren condiciones extremadamente frías para hacer su magia, su descubrimiento genera esperanzas de que algún día los superconductores puedan funcionar mucho más cerca de la temperatura ambiente, revolucionando tecnologías como la energía sin pérdidas.
Después de casi cuatro décadas de investigación, ese objetivo sigue siendo difícil de alcanzar, aunque se han logrado avances considerables en la comprensión de las condiciones bajo las cuales los estados superconductores aparecen y desaparecen.
Estudios teóricos y el papel del modelo Hubbard.
Los estudios teóricos, realizados con la ayuda de potentes superordenadores, son necesarios para interpretar los resultados de los experimentos con estos materiales y comprender y predecir fenómenos que están más allá del alcance experimental.
Para este estudio, el equipo de SIMES realizó simulaciones basadas en el conocido como modelo de Hubbard, que se ha convertido en una herramienta esencial para simular y describir sistemas donde los electrones dejan de moverse libremente y producen fenómenos impredecibles.
Los resultados muestran que cuando sólo se tiene en cuenta el transporte de electrones, la relación entre la conductividad eléctrica y la conductividad térmica se acerca a lo que predice la ley de Wiedemann-Franz, dijo Wang. «Por lo tanto, las contradicciones observadas en los experimentos deben provenir de otros objetos como los fonones o vibraciones reticulares, que no están en el modelo de Hubbard», dijo.
Direcciones de investigación futuras
Brian Moritz, científico del SIMES y coautor del artículo, dijo que aunque el estudio no investigó cómo las vibraciones causan las diferencias, «de alguna manera el sistema todavía sabe cómo se transportan la carga y el calor entre los electrones». Fue el resultado más sorprendente.
A partir de aquí, añadió, «tal vez podamos pelar la cebolla para entender un poquito más».
Cita: «La ley de Wiedemann-Franz en aisladores de Mott dopados sin cuasipartículas» por Wen O. Wang, Jixun K. Ding, Yoni Schattner, Edwin W. Huang, Brian Moritz y Thomas P. Devereaux, 30 de noviembre de 2023. ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.ade3232
La mayor parte de la financiación para este estudio provino de la Oficina de Ciencias del DOE. El trabajo computacional se realizó con los recursos de la Universidad de Stanford y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
