Eine neue Studie legt nahe, dass das Wiedemann-Franz-Gesetz, das elektronische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit verknüpft, für Kupferoxid-Supraleiter weiterhin gültig ist. Untersuchungen zeigen, dass Unterschiede in Quantenmaterialien auf nichtelektronischen Faktoren wie Gitterschwingungen beruhen. Diese Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis unkonventioneller Supraleiter und könnte das Gebiet voranbringen. Dieses überraschende Ergebnis ist wichtig für das Verständnis unkonventioneller Supraleiter und anderer Materialien, in denen Elektronen zusammenkommen, um gemeinsam zu wirken.

Lange bevor Forscher Elektronen und ihre Rolle bei der Erzeugung elektrischen Stroms entdeckten, hatten sie Elektrizität verstanden und erforschten ihr Potenzial. Sie haben schon früh gelernt, dass Metalle die besten Leiter für Strom und Wärme sind.

Im Jahr 1853 entdeckten zwei Wissenschaftler, dass zwischen diesen beiden erstaunlichen Eigenschaften von Metallen ein Zusammenhang besteht: Bei jeder gegebenen Temperatur war das Verhältnis von elektronischer Leitfähigkeit zu thermischer Leitfähigkeit bei jedem von ihnen untersuchten Metall ungefähr gleich. Dieses sogenannte Widmann-Franz-Gesetz gilt auch heute noch – außer in Quantenmaterialien, wo sich Elektronen nicht mehr wie einzelne Teilchen verhalten, sondern sich zu einer Art Elektronensuppe zusammenballen. Experimentelle Messungen zeigen, dass dieses 170 Jahre alte Gesetz in diesen Quantenmaterialien gebrochen ist.

Abbildung: Stark wechselwirkende Elektronen transportieren Wärme und Ladung von heißeren Regionen eines Quantenmaterials in kühlere Regionen. Eine theoretische Studie von SLAC, der Stanford University und der University of Illinois ergab, dass in Quantenmaterialien wie Kupraten – in denen Elektronen zusammenklumpen und kooperativ agieren – das Verhältnis von Wärmeübertragung zu Ladungsübertragung ähnlich dem Verhältnis in gewöhnlichen Metallen sein sollte, in denen die Elektronen als Einzelpersonen agieren. Dieses überraschende Ergebnis widerlegt die 170 Jahre alte Vorstellung, dass das Widmann-Franz-Gesetz nicht auf Quantenmaterialien anwendbar sei. Quelle: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Lab

Neue Erkenntnisse über Quantenmaterialien

Ein theoretisches Argument von Physikern am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, der Stanford University und der University of Illinois legt nun nahe, dass das Gesetz tatsächlich grob für eine Art Quantenmaterial gilt – Kupferoxid-Supraleiter oder Cuprate –, die Elektrizität bei relativ hohen Temperaturen verlustfrei leiten.

Sie schlugen in einem am 30. November in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel vor, dass das Wiedemann-Franz-Gesetz immer noch gelten sollte, wenn nur Elektronen in Kuprat berücksichtigt würden. Sie schlugen vor, dass andere Faktoren, wie etwa Vibrationen im Atomgitter des Materials, erklären müssten, warum die experimentellen Ergebnisse scheinbar nicht auf das Gesetz anwendbar seien.

Erfahren Sie mehr über unkonventionelle Supraleiter

Wang Wen (Transliteration), der Erstautor der Arbeit und Doktorand am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) des SLAC, sagte, dass dieses überraschende Ergebnis für das Verständnis unkonventioneller Supraleiter und anderer Quantenmaterialien sehr wichtig sei.

„Das ursprüngliche Gesetz wurde für Materialien vorgeschlagen, in denen Elektronen schwach interagieren und sich wie kleine Kugeln verhalten, die von Defekten im Kristallgitter des Materials abprallen“, sagte Wang. „Wir wollten das Gesetz theoretisch in einem System testen, in dem keine der beiden Situationen existiert.“

Supraleitende Materialien wurden 1911 entdeckt und können elektrischen Strom widerstandslos leiten. Sie arbeiten jedoch bei extrem niedrigen Temperaturen und haben nur sehr begrenzte Einsatzmöglichkeiten.

Dies änderte sich 1986, als die erste sogenannte Familie von Hochtemperatur- oder unkonventionellen Supraleitern – Kupferoxide – entdeckt wurde. Obwohl Kuprate immer noch extrem kalte Bedingungen benötigen, um ihre Wunder zu wirken, weckt ihre Entdeckung die Hoffnung, dass Supraleiter eines Tages näher bei Raumtemperatur arbeiten könnten, was revolutionäre Technologien wie verlustfreie Stromleitungen ermöglichen würde.

Nach fast vier Jahrzehnten der Forschung bleibt dieses Ziel unerreichbar, obwohl große Fortschritte beim Verständnis der Bedingungen erzielt wurden, unter denen supraleitende Zustände entstehen und entstehen.

Theoretische Forschung und die Rolle von Hubbards Modell

Theoretische Studien mit Hilfe leistungsstarker Supercomputer sind entscheidend, um experimentelle Ergebnisse zu diesen Materialien zu interpretieren und Phänomene zu verstehen und vorherzusagen, die experimentell nicht möglich sind.

In dieser Studie führte das SIMES-Team Simulationen auf der Grundlage des sogenannten Hubbard-Modells durch, das zu einem wichtigen Werkzeug zur Simulation und Beschreibung von Systemen geworden ist, in denen Elektronen aufhören, unabhängig zu agieren und sich zusammenschließen, um unerwartete Phänomene zu erzeugen.

Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn nur der Elektronentransport berücksichtigt wird, das Verhältnis von elektronischer Leitfähigkeit zu thermischer Leitfähigkeit nahe an dem durch das Widmann-Franz-Gesetz vorhergesagten Wert liegt, sodass die im Experiment beobachteten Unterschiede von anderen Aspekten herrühren sollten, wie z. B. Phononen oder Gitterschwingungen, die nicht in Hubbards Modell enthalten sind.

zukünftige Forschungsrichtungen

Während die Studie nicht untersuchte, wie die Vibrationen den Unterschied verursachten, „wusste das System dennoch, dass es diesen Zusammenhang zwischen Ladung und Wärmeübertragung zwischen Elektronen gab“, sagte SIMES-Wissenschaftler und Co-Autor der Veröffentlichung Brian Moritz. „Das war das überraschendste Ergebnis.“

Referenz „Wiedemann-Franz-Gesetz in dotierten Mott-Isolatoren ohne Quasiteilchen“, Autor: Wang Wennao, Ding Jixun, Yoni Schattner, Edwin W. Huang, Brian Moritz und Thomas P. Devereaux, 30. November 2023, „Wissenschaft“.

DOI:10.1126/science.ade3232

Zusammengestellte Quelle: scitechdaily