À des températures situées à quelques degrés du zéro absolu, le rapport entre la conductivité thermique d'un matériau et sa conductivité électrique doit être proportionnel à sa température. Ce principe, connu sous le nom de loi Wiedemann-Franz, a été formulé pour la première fois en 1853, mais à mesure que notre compréhension de la physique de la matière condensée s'est développée, sa portée a été modifiée de sorte qu'elle ne s'applique que si les mêmes quasi-particules sont responsables du transport de la chaleur et de la charge. Dans les matériaux quantiques où les électrons interagissent très fortement, cela ne devrait pas tenir.
C’est du moins ce qu’on pensait. Des théoriciens dirigés par Wen Wang des Département américain de l'énergie Laboratoire national des accélérateurs du SLAC ainsi que le L'Université de Stanford ont maintenant découvert que la loi devait continuer à être respectée dans un seul type de matériau quantique : les supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre (cuprate). Ces matériaux sont connus sous le nom de supraconducteurs non conventionnels et conduisent l’électricité sans résistance à des températures relativement élevées par rapport à leurs homologues conventionnels. Cette découverte signifie que les physiciens n’auront pas besoin de recourir à des hypothèses trop simplistes et conceptuellement problématiques impliquant des quasiparticules ou des équations de Boltzmann pour prédire le comportement des électrons dans ces matériaux dits fortement corrélés.
Modélisation des fermions sous forme d'électrons qui sautent entre des sites fixes
Dans leur étude, Wang et ses collègues ont combiné un algorithme de Monte Carlo quantique déterminant (DQMC) avec une technique appelée continuation analytique d'entropie maximale et l'ont appliqué à un modèle Hubbard d'un matériau cuprate. Ce modèle représente les électrons comme des fermions qui sautent entre des sites fixes sur un réseau et interagissent les uns avec les autres lorsqu'ils occupent le même site du réseau. Il est largement utilisé pour simuler et décrire des systèmes dans lesquels les électrons interagissent les uns avec les autres plutôt que de se comporter comme des entités indépendantes, et il contraste avec le cadre alternatif de Boltzmann qui définit les électrons comme des quasi-particules distinctes.
Le supraconducteur non conventionnel est encore plus étrange que prévu
Les physiciens ont découvert que si le seul transport des électrons est pris en compte, le nombre de Lorenz des cuprates – leur rapport entre la conductivité thermique et la conductivité électrique divisée par la température – se rapproche de la valeur prédite par la loi de Wiedemann-Franz. L'équipe suggère que d'autres facteurs, tels que les vibrations du réseau (ou phonons), qui ne sont pas inclus dans le modèle de Hubbard, pourraient être responsables des divergences observées lors d'expériences sur des matériaux fortement corrélés, donnant l'impression que la loi ne s'applique pas. Leurs résultats pourraient aider les physiciens à interpréter ces observations expérimentales et pourraient, à terme, conduire à une meilleure compréhension de la manière dont les systèmes fortement corrélés pourraient être utilisés dans des applications telles que le traitement des données et l’informatique quantique.
L’équipe prévoit désormais de s’appuyer sur ces résultats en explorant d’autres voies de transport telles que les effets Hall thermiques. "Cela approfondira notre compréhension des théories du transport dans des matériaux fortement corrélés", explique Wang. Monde de la physique.
La présente étude est publiée dans Sciences.
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- La source: https://physicsworld.com/a/170-year-old-physical-law-unexpectedly-holds-true-in-high-temperature-superconductors/
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