Mucho antes de que los investigadores descubrieran el electrón y su papel en la generación de corriente eléctrica, conocían la electricidad y estaban explorando su potencial. Una cosa que aprendieron desde el principio fue que los metales son excelentes conductores tanto de electricidad como de calor.
En 1853, dos científicos demostraron que esas dos admirables propiedades de los metales estaban de alguna manera relacionadas:a cualquier temperatura dada, la relación entre conductividad electrónica y conductividad térmica era aproximadamente la misma en cualquier metal que probaran. Esta llamada ley de Wiedemann-Franz se ha mantenido desde entonces, excepto en los materiales cuánticos, donde los electrones dejan de comportarse como partículas individuales y se fusionan formando una especie de sopa de electrones. Las mediciones experimentales han indicado que la ley de 170 años de antigüedad se rompe en estos materiales cuánticos, y en gran medida.
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, cumplir aproximadamente para un tipo de material cuántico:los superconductores de óxido de cobre. o cupratos, que conducen la electricidad sin pérdida a temperaturas relativamente altas.
En un artículo publicado en Science hoy proponen que la ley de Wiedemann-Franz debería seguir siendo válida si se consideran sólo los electrones de los cupratos. Sugieren que otros factores, como las vibraciones en la red atómica del material, deben explicar los resultados experimentales que hacen que parezca que la ley no se aplica.
Este sorprendente resultado es importante para comprender los superconductores no convencionales y otros materiales cuánticos, dijo Wen Wang, autor principal del artículo y Ph.D. estudiante del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la 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."
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.
Eso 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 generó esperanzas de que algún día los superconductores podrían funcionar a una temperatura mucho más cercana a la temperatura ambiente, haciendo posibles tecnologías revolucionarias como las líneas eléctricas sin pérdidas.
Después de casi cuatro décadas de investigación, ese objetivo aún es difícil de alcanzar, aunque se ha avanzado mucho en la comprensión de las condiciones en las que los estados superconductores aparecen y desaparecen.
Los estudios teóricos, realizados con la ayuda de potentes superordenadores, han sido fundamentales para interpretar los resultados de los experimentos con estos materiales y para comprender y predecir fenómenos que están fuera del alcance experimental.
Para este estudio, el equipo de SIMES realizó simulaciones basadas en el conocido como modelo de Hubbard, que se ha convertido en una herramienta esencial 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. "Por lo tanto, las discrepancias que se han observado en los experimentos deberían provenir de otras cosas como fonones o vibraciones reticulares, que no están en el modelo de Hubbard", dijo.
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 la carga y el transporte de 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".
Más información: Wen O. Wang et al, La ley de Wiedemann-Franz en aisladores de Mott dopados sin cuasipartículas, Ciencia (2023). DOI:10.1126/science.ade3232. www.science.org/doi/10.1126/science.ade3232
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
