La antigua ley de la física resiste la prueba del tiempo en el enigma de los materiales cuánticos
Un nuevo estudio sostiene que la ley de Wiedemann-Franz, que vincula la conductividad electrónica y térmica, sigue siendo válida para los superconductores de óxido de cobre. Las investigaciones sugieren que las discrepancias en los materiales cuánticos surgen de factores no electrónicos, como las vibraciones de la red. Este descubrimiento es importante para comprender los superconductores no convencionales y podría conducir a avances en este campo.
Este sorprendente resultado es importante para comprender los superconductores no convencionales y otros materiales en los que los electrones se unen para actuar colectivamente.
Mucho antes de que los investigadores descubrieran el electrón y su papel en la generación de corriente eléctrica, ya conocían la electricidad y estaban explorando su potencial. Una cosa que aprendieron desde el principio fue que los metales eran excelentes conductores de electricidad y calor.
Descubrimiento de la ley de Wiedemann-Franz
En 1853, dos científicos demostraron que estas dos admirables propiedades de los metales estaban de alguna manera relacionadas: a cualquier temperatura, la relación entre la conductividad electrónica y la conductividad térmica era aproximadamente la misma en cualquier metal probado. Esta llamada ley de Wiedemann-Franz ha sido válida desde entonces, excepto en los materiales cuánticos, donde los electrones dejan de comportarse como partículas individuales y se agrupan en una especie de sopa de electrones. Las mediciones experimentales han indicado que la ley de 170 años de antigüedad se descompone considerablemente en estos materiales cuánticos.
Una ilustración muestra electrones interactuando fuertemente, transportando calor y carga desde regiones más calientes a más frías de un material cuántico. Un estudio teórico llevado a cabo 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 (materiales cuánticos como este donde los electrones se agrupan y actúan cooperativamente) debería ser similar a la relación en los metales normales, donde Los electrones se comportan como individuos. 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 de aceleradores
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: los superconductores de óxido, cobre o cobre. cupratos, que conducen la electricidad sin pérdidas a temperaturas relativamente altas.
En un artículo publicado en la revista Ciencia el 30 de noviembre proponen que la ley de Wiedemann-Franz debería seguir siendo válida si consideramos sólo los electrones de los cupratos. Sugieren que otros factores, como las vibraciones en la red atómica del material, deben ser responsables de los resultados experimentales que hacen parecer 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 sistemas donde ninguna de estas cosas era cierta».
Pelar una cebolla cuántica
Los materiales superconductores, que transportan corriente eléctrica sin resistencia, se descubrieron en 1911. Pero operaban a temperaturas tan extremadamente bajas que su utilidad era bastante 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 ha generado esperanzas de que algún día los superconductores puedan operar a temperaturas mucho más cercanas a la temperatura ambiente, haciendo posibles tecnologías revolucionarias como las líneas eléctricas sin pérdidas.
Después de casi cuatro décadas de investigación, este objetivo sigue siendo difícil de alcanzar, aunque se ha avanzado mucho en la comprensión de las condiciones bajo las cuales los estados superconductores entran y desaparecen.
Papel de los estudios teóricos y el modelo Hubbard
Los estudios teóricos, realizados con la ayuda de potentes supercomputadoras, han sido fundamentales para interpretar los resultados de los experimentos con estos materiales y para comprender y predecir fenómenos que están más allá del alcance experimental.
Para este estudio, el equipo de SIMES realizó simulaciones basadas en el llamado modelo de Hubbard, que se ha convertido en una herramienta imprescindible para simular y describir sistemas donde los electrones dejan de actuar de forma independiente y unen fuerzas para producir fenómenos inesperados.
Los resultados muestran que cuando sólo se tiene en cuenta el transporte de electrones, la relación entre la conductividad electrónica y la conductividad térmica se acerca a lo que predice la ley de Wiedemann-Franz, dijo Wang. «Así que las discrepancias que se observaron en los experimentos tendrían que provenir de otras cosas, como 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 discrepancias, “de alguna manera el sistema todavía sabe que existe esta correspondencia entre el transporte de carga y calor entre los electrones. Ese fue el resultado más sorprendente”.
A partir de aquí, añadió, “tal vez podamos pelar la cebolla para entender un poquito más”.
Referencia: “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 financiación principal para este estudio provino de la Oficina de Ciencias del DOE. El trabajo computacional se realizó en la Universidad de Stanford y con recursos del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, que es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
