Bei Temperaturen innerhalb weniger Grad vom absoluten Nullpunkt sollte das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit eines Materials zu seiner elektrischen Leitfähigkeit proportional zu seiner Temperatur sein. Dieses als Wiedemann-Franz-Gesetz bekannte Prinzip wurde erstmals 1853 formuliert, aber als unser Verständnis der Physik der kondensierten Materie zunahm, wurde sein Anwendungsbereich dahingehend geändert, dass es nur dann gilt, wenn dieselben Quasiteilchen sowohl für den Wärme- als auch für die Ladungsübertragung verantwortlich sind. In Quantenmaterialien, in denen Elektronen sehr stark wechselwirken, sollte dies nicht der Fall sein.
Zumindest dachte man das. Theoretiker unter der Leitung von Wen Wang dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. US-Energieministerium SLAC National Accelerator Laboratory und Stanford University haben nun herausgefunden, dass das Gesetz weiterhin bei einer Art von Quantenmaterial eingehalten werden sollte: den Kupferoxid-Supraleitern (Cuprat). Diese Materialien sind als unkonventionelle Supraleiter bekannt und leiten Strom im Vergleich zu ihren herkömmlichen Gegenstücken bei relativ hohen Temperaturen widerstandslos. Das Ergebnis bedeutet, dass Physiker bei der Vorhersage, wie sich Elektronen in diesen sogenannten stark korrelierten Materialien verhalten sollten, nicht auf stark vereinfachte und konzeptionell problematische Annahmen im Zusammenhang mit Quasiteilchen oder Boltzmann-Gleichungen zurückgreifen müssen.
Modellierung von Fermionen als Elektronen, die zwischen festen Orten hüpfen
In ihrer Studie kombinierten Wang und Kollegen einen determinanten Quanten-Monte-Carlo-Algorithmus (DQMC) mit einer Technik namens „Maximum Entropy Analytic Continuation“ und wandten sie auf ein Hubbard-Modell eines Kupratmaterials an. Dieses Modell stellt Elektronen als Fermionen dar, die zwischen festen Plätzen auf einem Gitter hin- und herspringen und miteinander interagieren, wenn sie denselben Gitterplatz besetzen. Es wird häufig zur Simulation und Beschreibung von Systemen eingesetzt, in denen Elektronen miteinander interagieren, anstatt sich wie unabhängige Einheiten zu verhalten, und es steht im Gegensatz zum alternativen Boltzmann-Gerüst, das Elektronen als unterschiedliche Quasiteilchen definiert.
Unkonventioneller Supraleiter ist noch seltsamer als erwartet
Die Physiker fanden heraus, dass sich die Lorenzzahl der Cuprate – ihr Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zu elektrischer Leitfähigkeit dividiert durch die Temperatur – dem vom Wiedemann-Franz-Gesetz vorhergesagten Wert annähert, wenn allein der Elektronentransport berücksichtigt wird. Das Team vermutet, dass andere Faktoren wie Gitterschwingungen (oder Phononen), die nicht im Hubbard-Modell enthalten sind, für die in Experimenten mit stark korrelierten Materialien beobachteten Diskrepanzen verantwortlich sein könnten, die den Anschein erwecken, als ob das Gesetz nicht anwendbar wäre. Ihre Ergebnisse könnten Physikern bei der Interpretation dieser experimentellen Beobachtungen helfen und letztendlich zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie stark korrelierte Systeme in Anwendungen wie Datenverarbeitung und Quantencomputing eingesetzt werden könnten.
Das Team plant nun, auf dem Ergebnis aufzubauen, indem es andere Transportkanäle wie thermische Hall-Effekte untersucht. „Dies wird unser Verständnis der Transporttheorien in stark korrelierten Materialien vertiefen“, sagt Wang Physik-Welt.
Die vorliegende Studie ist veröffentlicht in Wissenschaft.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/170-year-old-physical-law-unexpectedly-holds-true-in-high-temperature-superconductors/
