Em temperaturas dentro de alguns graus do zero absoluto, a relação entre a condutividade térmica de um material e sua condutividade elétrica deve ser proporcional à sua temperatura. Este princípio, conhecido como lei de Wiedemann-Franz, foi formulado pela primeira vez em 1853, mas à medida que a nossa compreensão da física da matéria condensada cresceu, o seu âmbito foi alterado para que só se aplique se as mesmas quasipartículas forem responsáveis por transportar calor e carga. Em materiais quânticos onde os elétrons interagem muito fortemente, isso não deveria ser válido.
Ou assim se pensava. Teóricos liderados por Wen Wang da Departamento de Energia dos EUA Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC e Universidade de Stanford descobriram agora que a lei deve continuar a ser obedecida dentro de um tipo de material quântico: os supercondutores de óxido de cobre (cuprato). Esses materiais são conhecidos como supercondutores não convencionais e conduzem eletricidade sem resistência a temperaturas relativamente altas em comparação com seus equivalentes convencionais. A descoberta significa que os físicos não terão de recorrer a suposições simplificadas e conceitualmente problemáticas envolvendo quasipartículas ou equações de Boltzmann ao prever como os elétrons nesses chamados materiais fortemente correlacionados deveriam se comportar.
Modelando férmions como elétrons que saltam entre locais fixos
Em seu estudo, Wang e colegas combinaram um algoritmo quântico determinante de Monte Carlo (DQMC) com uma técnica chamada continuação analítica de entropia máxima e aplicaram-na a um modelo de Hubbard de um material cuprato. Este modelo representa os elétrons como férmions que saltam entre locais fixos em uma rede e interagem entre si quando ocupam o mesmo local da rede. É amplamente empregado para simular e descrever sistemas nos quais os elétrons interagem entre si em vez de se comportarem como entidades independentes, e contrasta com a estrutura alternativa de Boltzmann, que define os elétrons como quasipartículas distintas.
Supercondutor não convencional é ainda mais estranho do que o esperado
Os físicos descobriram que se apenas o transporte de electrões for tido em conta, o número de Lorenz dos cupratos – a sua relação entre condutividade térmica e condutividade eléctrica dividida pela temperatura – aproxima-se do valor previsto pela lei de Wiedemann-Franz. A equipe sugere que outros fatores, como vibrações de rede (ou fônons), que não estão incluídos no modelo de Hubbard, poderiam ser responsáveis pelas discrepâncias observadas em experimentos em materiais fortemente correlacionados que fazem parecer que a lei não se aplica. Seus resultados poderiam ajudar os físicos a interpretar essas observações experimentais e, em última análise, levar a uma melhor compreensão de quão fortemente sistemas correlacionados podem ser empregados em aplicações como processamento de dados e computação quântica.
A equipe agora planeja aproveitar o resultado explorando outros canais de transporte, como os efeitos térmicos Hall. “Isso aprofundará nossa compreensão das teorias de transporte em materiais fortemente correlacionados”, diz Wang. Mundo da física.
O presente estudo está publicado em Ciência.
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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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