Molto prima che i ricercatori scoprissero l’elettrone e il suo ruolo nella generazione di corrente elettrica, conoscevano l’elettricità e ne stavano esplorando il potenziale. Una cosa che hanno imparato presto è che i metalli sono ottimi conduttori sia di elettricità che di calore.
Nel 1853, due scienziati dimostrarono che queste due ammirevoli proprietà dei metalli erano in qualche modo correlate:a qualsiasi temperatura, il rapporto tra conduttività elettronica e conduttività termica era più o meno lo stesso in qualsiasi metallo testato. Questa cosiddetta legge di Wiedemann-Franz è rimasta valida da allora, tranne che nei materiali quantistici, dove gli elettroni smettono di comportarsi come particelle individuali e si uniscono in una sorta di zuppa di elettroni. Misurazioni sperimentali hanno indicato che la legge vecchia di 170 anni viene meno in questi materiali quantistici, e di parecchio.
Ora, un argomento teorico avanzato dai fisici dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, dell'Università di Stanford e dell'Università dell'Illinois suggerisce che la legge dovrebbe, in effetti, valere approssimativamente per un tipo di materiale quantistico:i superconduttori di ossido di rame, o cuprati, che conducono l'elettricità senza perdite a temperature relativamente elevate.
In un articolo pubblicato su Science oggi propongono che la legge di Wiedemann-Franz dovrebbe ancora valere approssimativamente se si considerano solo gli elettroni nei cuprati. Suggeriscono che altri fattori, come le vibrazioni nel reticolo atomico del materiale, devono tenere conto dei risultati sperimentali che fanno sembrare che la legge non si applichi.
Questo risultato sorprendente è importante per comprendere i superconduttori non convenzionali e altri materiali quantistici, ha affermato Wen Wang, autore principale dell'articolo e Ph.D. studente presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso SLAC.
"La legge originale è stata sviluppata per materiali in cui gli elettroni interagiscono debolmente tra loro e si comportano come piccole palline che rimbalzano sui difetti nel reticolo del materiale", ha detto Wang. "Volevamo testare teoricamente la legge in sistemi in cui nessuna di queste cose era vera."
I materiali superconduttori, che trasportano la corrente elettrica senza resistenza, furono scoperti nel 1911. Ma funzionavano a temperature così estremamente basse che la loro utilità era piuttosto limitata.
La situazione cambiò nel 1986, quando fu scoperta la prima famiglia dei cosiddetti superconduttori non convenzionali o ad alta temperatura, i cuprati. Sebbene i cuprati richiedano ancora condizioni estremamente fredde per svolgere la loro magia, la loro scoperta ha alimentato la speranza che un giorno i superconduttori possano funzionare a una temperatura molto più vicina alla temperatura ambiente, rendendo possibili tecnologie rivoluzionarie come le linee elettriche senza perdite.
Dopo quasi quattro decenni di ricerca, questo obiettivo è ancora irraggiungibile, anche se sono stati fatti molti progressi nella comprensione delle condizioni in cui gli stati superconduttori entrano ed escono dall'esistenza.
Gli studi teorici, eseguiti con l'aiuto di potenti supercomputer, sono stati essenziali per interpretare i risultati degli esperimenti su questi materiali e per comprendere e prevedere fenomeni che sono fuori dalla portata sperimentale.
Per questo studio, il team SIMES ha eseguito simulazioni basate sul cosiddetto modello di Hubbard, che è diventato uno strumento essenziale per simulare e descrivere sistemi in cui gli elettroni smettono di agire in modo indipendente e uniscono le forze per produrre fenomeni inaspettati.
I risultati mostrano che quando si prende in considerazione solo il trasporto degli elettroni, il rapporto tra conduttività elettronica e conducibilità termica si avvicina a quello previsto dalla legge di Wiedemann-Franz, ha detto Wang. "Quindi, le discrepanze osservate negli esperimenti dovrebbero derivare da altri fattori, come i fononi o le vibrazioni del reticolo, che non rientrano nel modello di Hubbard", ha affermato.
Brian Moritz, scienziato dello staff SIMES e coautore dell'articolo, ha affermato che, sebbene lo studio non abbia indagato su come le vibrazioni causino le discrepanze, "in qualche modo il sistema sa ancora che esiste questa corrispondenza tra trasporto di carica e di calore tra gli elettroni. Questo è stato il risultato più sorprendente ."
Da qui, ha aggiunto, "forse possiamo sbucciare la cipolla per capirne un po' di più".
Ulteriori informazioni: Wen O. Wang et al, La legge di Wiedemann-Franz negli isolanti Mott drogati senza quasiparticelle, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.ade3232. www.science.org/doi/10.1126/science.ade3232
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