وبلاگ

مدت ها قبل از اینکه محققان الکترون و نقش آن در تولید جریان الکتریکی را کشف کنند، آنها در مورد الکتریسیته می دانستند و پتانسیل آن را کشف کردند. چیزی که آنها در اوایل آموختند این بود که فلزات رسانای عالی الکتریسیته و گرما هستند.

در سال 1853، دو دانشمند نشان دادند که این دو ویژگی تحسین برانگیز فلزات به نحوی با هم مرتبط هستند: در هر دمای معین، نسبت رسانایی الکترونیکی به رسانایی گرمایی در هر فلزی که آنها آزمایش کردند تقریباً یکسان بود. این به اصطلاح قانون Wiedemann-Franz از آن زمان تاکنون برقرار بوده است – به جز در مواد کوانتومی، که در آن الکترون‌ها به عنوان ذرات منفرد رفتار نمی‌کنند و در نوعی سوپ الکترونی به هم می‌چسبند. اندازه‌گیری‌های تجربی نشان می‌دهد که قانون 170 ساله در این مواد کوانتومی شکسته شده است، آن هم فقط اندکی.

یک استدلال نظری ارائه شده توسط فیزیکدانان آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC، دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایلینویز، نشان می‌دهد که این قانون باید تقریباً برای یک نوع ماده کوانتومی – ابررساناهای اکسید مس یا کپرات‌ها که الکتریسیته را بدون هدایت می‌کنند، صادق باشد. از دست دادن در دماهای نسبتا بالا.

در مقاله ای که در علوم پایه امروزه آنها پیشنهاد می‌کنند که اگر فقط الکترون‌های موجود در کوپرات‌ها در نظر گرفته شوند، قانون ویدمان-فرانتس همچنان باید تقریباً برقرار باشد. آنها پیشنهاد می‌کنند که عوامل دیگری، مانند ارتعاشات در شبکه اتمی ماده، باید نتایج تجربی را در نظر بگیرند که به نظر می‌رسد این قانون اعمال نمی‌شود.

این نتیجه شگفت انگیز برای درک ابررساناهای غیر متعارف و دیگران مهم است مواد کوانتومیون وانگ، نویسنده اصلی مقاله و دکترا گفت. دانشجوی موسسه علوم مواد و انرژی استنفورد (SIMES) در SLAC.

وانگ گفت: «قانون اولیه برای موادی ایجاد شد که در آن الکترون‌ها با یکدیگر برهمکنش ضعیفی دارند و مانند توپ‌های کوچکی رفتار می‌کنند که از نقص‌های شبکه مواد خارج می‌شوند.» ما می‌خواستیم قانون را از نظر تئوری در سیستم‌هایی آزمایش کنیم که هیچ‌کدام از این موارد درست نیست.»

پوست کندن پیاز کوانتومی

مواد ابررسانا که جریان الکتریکی را بدون مقاومت حمل می کنند، در سال 1911 کشف شدند. اما آنها در دماهای بسیار پایینی کار می کنند که سودمندی آنها کاملاً محدود است.

این در سال 1986 تغییر کرد، زمانی که اولین خانواده ابررساناهای به اصطلاح با دمای بالا یا غیر متعارف، کوپرات ها، کشف شد. اگرچه کوپرات‌ها هنوز به شرایط بسیار سرد نیاز دارند تا جادوی خود را انجام دهند، اما کشف آنها این امید را ایجاد کرده است که ابررساناها ممکن است روزی در دمای بسیار نزدیک‌تر به دمای اتاق کار کنند و فناوری‌های انقلابی مانند خطوط برق بدون تلفات را ممکن می‌سازد.

پس از تقریباً چهار دهه تحقیق، این هدف هنوز دست نیافتنی است، اگرچه پیشرفت های زیادی در درک شرایط ظاهر شدن و ناپدید شدن حالت های ابررسانا حاصل شده است.

مطالعات نظری انجام شده با استفاده از ابررایانه های قدرتمند برای تفسیر نتایج آزمایشات با این مواد و برای درک و پیش بینی پدیده هایی که فراتر از محدوده تجربی هستند ضروری است.

برای این مطالعه، تیم SIMES شبیه‌سازی‌هایی را بر اساس آنچه به عنوان مدل هابارد شناخته می‌شود، اجرا کرد، که به ابزاری ضروری برای شبیه‌سازی و توصیف سیستم‌هایی تبدیل شده است که در آن‌ها الکترون‌ها به‌طور مستقل عمل نمی‌کنند و برای تولید پدیده‌های غیرمنتظره به نیروها می‌پیوندند.

نتایج نشان می دهد که وقتی فقط حمل و نقل الکترونیکی را در نظر بگیرید، نسبت رسانایی الکترونیکی به رسانایی گرمایی وانگ گفت که به آنچه قانون ویدمان-فرانتس پیش بینی می کند نزدیک است. او گفت: «بنابراین اختلافاتی که در آزمایش‌ها مشاهده می‌شود باید از چیزهای دیگری مانند فونون‌ها یا ارتعاشات شبکه‌ای باشد که در مدل هابارد نیستند.

برایان موریتز، دانشمند تیم SIMES و یکی از نویسندگان مقاله، گفت که اگرچه این مطالعه بررسی نکرد که چگونه ارتعاشات باعث عدم تطابق می شوند، “به نحوی سیستم هنوز می داند که این مطابقت بین بار و انتقال حرارت بین الکترون ها وجود دارد. این شگفت انگیزترین نتیجه بود. ”

او افزود: “شاید بتوانیم پیاز را پوست کنده تا کمی بیشتر بفهمیم.”