Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаСекрет сверхпроводников: старый закон физики выдерживает испытание временем в загадке квантового материала

Секрет сверхпроводников: старый закон физики выдерживает испытание временем в загадке квантового материала

- Advertisement -

Новое исследование утверждает, что закон Видемана-Франца, связывающий электронную и теплопроводность, все еще справедлив для медно-оксидных сверхпроводников. Исследование предполагает, что различия в квантовых материалах возникают из-за неэлектронных факторов, таких как колебания решетки. Это открытие важно для понимания нетрадиционных сверхпроводников и может привести к прогрессу в этой области. Фото: SciTechDaily.com

Этот удивительный результат важен для понимания нетрадиционных сверхпроводников и других материалов, в которых электроны объединяются и действуют коллективно.

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.

Открытие закона Видемана-Франца

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. Этот так называемый закон Видемана-Франца действует с тех пор – 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.

На иллюстрации показаны сильно взаимодействующие электроны, переносящие тепло и заряд от более теплых к более холодным областям квантового материала. Теоретическое исследование, проведенное SLAC, Стэнфордом и Университетом Иллинойса, показало, что соотношение теплопереноса и переноса заряда в купратах – квантовых материалах, подобных этому, где электроны слипаются вместе и действуют совместно – должно быть аналогично соотношению в обычных металлах. где электроны ведут себя как отдельные личности. Этот удивительный результат опровергает представление о том, что 170-летний закон Видемана-Франца неприменим к квантовым материалам. Фото: Грег Стюарт/SLAC National. Ускорительная лаборатория

Новый взгляд на квантовые материалы

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 в журнале Наука 30 ноября они предполагают, что закон Видемана-Франца должен по-прежнему выполняться, 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.

Понимание нетрадиционных сверхпроводников

Этот удивительный результат важен для понимания нетрадиционных сверхпроводников и других квантовых материалов, сказал Вэнь Ван, ведущий автор статьи и аспирант 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 одна из этих вещей 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, что когда-нибудь сверхпроводники 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 был достигнут значительный прогресс в понимании условий, в которых сверхпроводящие состояния возникают и исчезают.

Роль теоретических исследований и модели Хаббарда

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. «Итак, расхождения, которые наблюдались в экспериментах, должны быть связаны с другими вещами, такими как фононы или колебания решетки, которых нет в модели Хаббарда», — сказала она.

Будущие направления исследований

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 неожиданный результат».

Отсюда он добавил: «Может быть, мы сможем почистить лук, чтобы понять немного больше».

Ссылка: «Закон Видемана-Франца в легированных изоляторах Мотта без квазичастиц», Вэнь О. Ван, Цзиксун К. Дин, Йони Шаттнер, Эдвин В. Хуанг, Брайан Мориц и Томас П. Деверо, 30 ноября 2023 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.ade3232.

Основное финансирование этого исследования поступило от Управления науки Министерства энергетики США. Вычислительные работы проводились в Стэнфордском университете и на ресурсах Национального научно-вычислительного центра энергетических исследований, который является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме