A temperaturas dentro de unos pocos grados del cero absoluto, la relación entre la conductividad térmica de un material y su conductividad eléctrica debe ser proporcional a su temperatura. Este principio, conocido como ley de Wiedemann-Franz, se formuló por primera vez en 1853, pero a medida que creció nuestra comprensión de la física de la materia condensada, su alcance se modificó para que sólo se aplique si las mismas cuasipartículas son responsables de transportar calor y carga. En materiales cuánticos donde los electrones interactúan muy fuertemente, no debería mantenerse.
O eso se pensaba. Teóricos liderados por Wen Wang de las Departamento de Energía de EE.UU. Laboratorio Acelerador Nacional SLAC y Universidad de Stanford Ahora han descubierto que la ley debería seguir obedeciéndose dentro de un tipo de material cuántico: los superconductores de óxido de cobre (cuprato). Estos materiales se conocen como superconductores no convencionales y conducen electricidad sin resistencia a temperaturas relativamente altas en comparación con sus homólogos convencionales. El hallazgo significa que los físicos no tendrán que recurrir a suposiciones excesivamente simplificadas y conceptualmente problemáticas que involucran cuasipartículas o ecuaciones de Boltzmann al predecir cómo deberían comportarse los electrones en estos llamados materiales fuertemente correlacionados.
Modelado de fermiones como electrones que saltan entre sitios fijos
En su estudio, Wang y sus colegas combinaron un algoritmo cuántico determinante de Monte Carlo (DQMC) con una técnica llamada continuación analítica de máxima entropía y lo aplicaron a un modelo de Hubbard de un material de cuprato. Este modelo representa a los electrones como fermiones que saltan entre sitios fijos en una red e interactúan entre sí cuando ocupan el mismo sitio de la red. Se emplea ampliamente para simular y describir sistemas en los que los electrones interactúan entre sí en lugar de comportarse como entidades independientes, y contrasta con el marco alternativo de Boltzmann que define a los electrones como cuasipartículas distintas.
El superconductor no convencional es aún más extraño de lo esperado
Los físicos descubrieron que si se tiene en cuenta únicamente el transporte de electrones, el número de Lorenz de los cupratos (su relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica dividida por la temperatura) se acerca al valor predicho por la ley de Wiedemann-Franz. El equipo sugiere que otros factores, como las vibraciones de la red (o fonones), que no están incluidos en el modelo de Hubbard, podrían ser responsables de las discrepancias observadas en experimentos con materiales fuertemente correlacionados que hacen que parezca que la ley no se aplica. Sus resultados podrían ayudar a los físicos a interpretar estas observaciones experimentales y, en última instancia, podrían conducir a una mejor comprensión de cómo se podrían emplear sistemas fuertemente correlacionados en aplicaciones como el procesamiento de datos y la computación cuántica.
El equipo ahora planea aprovechar el resultado explorando otros canales de transporte, como los efectos térmicos Hall. "Esto profundizará nuestra comprensión de las teorías del transporte en materiales fuertemente correlacionados", dice Wang Mundo de la física.
El presente estudio se publica en Ciencia:.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/170-year-old-physical-law-unexpectedly-holds-true-in-high-temperature-superconductors/
