A temperature entro pochi gradi dallo zero assoluto, il rapporto tra la conduttività termica di un materiale e la sua conduttività elettrica dovrebbe essere proporzionale alla sua temperatura. Questo principio, noto come legge di Wiedemann-Franz, fu formulato per la prima volta nel 1853, ma con la crescita della nostra comprensione della fisica della materia condensata, il suo campo di applicazione è stato modificato in modo che si applichi solo se le stesse quasiparticelle sono responsabili del trasporto sia di calore che di carica. Nei materiali quantistici in cui gli elettroni interagiscono in modo molto forte, non dovrebbe reggere.
O almeno così si pensava. Teorici guidati da Wen Wang della Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti SLAC National Accelerator Laboratory ed Università di Stanford hanno ora scoperto che la legge dovrebbe continuare a essere rispettata all’interno di un tipo di materiale quantistico: i superconduttori di ossido di rame (cuprato). Questi materiali sono noti come superconduttori non convenzionali e conducono l'elettricità senza resistenza a temperature relativamente elevate rispetto ai loro omologhi convenzionali. La scoperta significa che i fisici non dovranno ricorrere a presupposti eccessivamente semplificati e concettualmente problematici che coinvolgono quasiparticelle o equazioni di Boltzmann quando prevedono come dovrebbero comportarsi gli elettroni in questi cosiddetti materiali fortemente correlati.
Modellare i fermioni come elettroni che saltano tra siti fissi
Nel loro studio, Wang e colleghi hanno combinato un algoritmo Monte Carlo quantistico determinante (DQMC) con una tecnica chiamata continuazione analitica della massima entropia e l'hanno applicata a un modello di Hubbard di un materiale cuprato. Questo modello rappresenta gli elettroni come fermioni che saltano tra siti fissi su un reticolo e interagiscono tra loro quando occupano lo stesso sito del reticolo. È ampiamente utilizzato per simulare e descrivere sistemi in cui gli elettroni interagiscono tra loro anziché comportarsi come entità indipendenti, e contrasta con il quadro alternativo di Boltzmann che definisce gli elettroni come quasiparticelle distinte.
Il superconduttore non convenzionale è persino più strano del previsto
I fisici hanno scoperto che se si prende in considerazione solo il trasporto degli elettroni, il numero di Lorenz dei cuprati – il loro rapporto tra conduttività termica e conducibilità elettrica diviso per la temperatura – si avvicina al valore previsto dalla legge di Wiedemann-Franz. Il team suggerisce che altri fattori, come le vibrazioni reticolari (o fononi), che non sono inclusi nel modello di Hubbard, potrebbero essere responsabili delle discrepanze osservate negli esperimenti su materiali fortemente correlati che fanno sembrare che la legge non si applichi. I loro risultati potrebbero aiutare i fisici a interpretare queste osservazioni sperimentali e potrebbero infine portare a una migliore comprensione di come i sistemi fortemente correlati potrebbero essere impiegati in applicazioni come l’elaborazione dei dati e l’informatica quantistica.
Il team ora prevede di sfruttare il risultato esplorando altri canali di trasporto come gli effetti Hall termici. "Ciò approfondirà la nostra comprensione delle teorie del trasporto in materiali fortemente correlati", afferma Wang Mondo della fisica.
Il presente studio è pubblicato in Scienze.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/170-year-old-physical-law-unexpectedly-holds-true-in-high-temperature-superconductors/
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