Une nouvelle étude suggère que la loi de Wiedemann-Franz, qui relie la conductivité électronique et la conductivité thermique, reste valable pour les supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre. La recherche montre que les différences entre les matériaux quantiques proviennent de facteurs non électroniques tels que les vibrations du réseau. Cette découverte a des implications importantes pour la compréhension des supraconducteurs non conventionnels et pourrait faire progresser ce domaine. Ce résultat surprenant est important pour comprendre les supraconducteurs non conventionnels et autres matériaux dans lesquels les électrons se rassemblent pour agir collectivement.

Bien avant que les chercheurs ne découvrent les électrons et leur rôle dans la production de courant électrique, ils connaissaient l’électricité et exploraient son potentiel. Ils ont appris très tôt que les métaux sont les meilleurs conducteurs d’électricité et de chaleur.

En 1853, deux scientifiques ont découvert qu'il existait un lien entre ces deux propriétés étonnantes des métaux : à toute température donnée, le rapport entre la conductivité électronique et la conductivité thermique était à peu près le même pour tous les métaux testés. Cette loi dite de Widmann-Franz s'applique encore aujourd'hui, sauf dans les matériaux quantiques, où les électrons ne se comportent plus comme des particules individuelles mais s'agglutinent pour former une sorte de soupe électronique. Des mesures expérimentales montrent que cette loi vieille de 170 ans n’est pas respectée dans ces matériaux quantiques.

Illustration : Les électrons en interaction forte transportent la chaleur et la charge des régions les plus chaudes d’un matériau quantique vers les régions plus froides. Une étude théorique menée par le SLAC, l'Université de Stanford et l'Université de l'Illinois a révélé que dans les matériaux quantiques comme les cuprates, où les électrons s'agglutinent et agissent en coopération, le rapport entre le transfert de chaleur et le transfert de charge devrait être similaire à celui des métaux ordinaires où les électrons agissent en tant qu'individus. Ce résultat surprenant renverse l’idée vieille de 170 ans selon laquelle la loi de Widmann-Franz ne s’applique pas aux matériaux quantiques. Source : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC

De nouvelles perspectives sur les matériaux quantiques

Aujourd’hui, un argument théorique avancé par des physiciens du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département américain de l’énergie, de l’Université de Stanford et de l’Université de l’Illinois suggère que la loi s’applique en réalité à peu près à un type de matériau quantique – les supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre, ou cuprates – qui conduisent l’électricité sans perte à des températures relativement élevées.

Ils ont proposé dans un article publié dans la revue Science le 30 novembre que si l'on considère uniquement les électrons du cuprate, la loi de Wiedemann-Franz devrait encore être globalement valable. Ils ont suggéré que d'autres facteurs, tels que les vibrations dans le réseau atomique du matériau, doivent expliquer pourquoi les résultats expérimentaux ne semblent pas s'appliquer à la loi.

En savoir plus sur les supraconducteurs non conventionnels

Wang Wen (translittération), premier auteur de l'article et doctorant à l'Institut Stanford des sciences des matériaux et de l'énergie (SIMES) du SLAC, a déclaré que ce résultat surprenant est très important pour comprendre les supraconducteurs non conventionnels et autres matériaux quantiques.

"La loi originale a été proposée pour des matériaux dans lesquels les électrons interagissent faiblement et se comportent comme de petites boules rebondissant sur des défauts du réseau cristallin du matériau", a expliqué Wang. "Nous voulions tester théoriquement la loi dans un système où aucune des deux situations n'existe."

Les matériaux supraconducteurs ont été découverts en 1911 et peuvent transporter le courant électrique sans résistance. Mais ils fonctionnent à des températures extrêmement basses et ont des utilisations très limitées.

Cela a changé en 1986, lorsque la première famille de supraconducteurs à haute température ou non conventionnels – les oxydes de cuivre – a été découverte. Bien que les cuprates aient encore besoin de conditions extrêmement froides pour faire des merveilles, leur découverte laisse espérer que les supraconducteurs pourraient un jour fonctionner plus près de la température ambiante, rendant possible des technologies révolutionnaires telles que les lignes électriques sans perte.

Après près de quatre décennies de recherche, cet objectif reste insaisissable, même si de grands progrès ont été réalisés dans la compréhension des conditions qui font entrer et sortir les états supraconducteurs.

Recherche théorique et rôle du modèle de Hubbard

Les études théoriques à l’aide de superordinateurs puissants sont cruciales pour interpréter les résultats expérimentaux sur ces matériaux et pour comprendre et prédire des phénomènes impossibles expérimentalement.

Dans cette étude, l'équipe SIMES a réalisé des simulations basées sur le modèle dit de Hubbard, qui est devenu un outil important pour simuler et décrire des systèmes dans lesquels les électrons cessent d'agir de manière indépendante et unissent leurs forces pour produire des phénomènes inattendus.

Les résultats montrent que si seul le transport des électrons est pris en compte, le rapport entre la conductivité électronique et la conductivité thermique est proche de la valeur prédite par la loi de Widmann-Franz. Les différences observées dans l'expérience devraient donc provenir d'autres aspects, tels que les phonons ou les vibrations du réseau, qui ne figurent pas dans le modèle de Hubbard.

orientations futures de la recherche

Bien que l'étude n'ait pas étudié comment les vibrations provoquaient la différence, "d'une manière ou d'une autre, le système savait toujours qu'il existait cette correspondance entre la charge et le transfert de chaleur entre les électrons", a déclaré Brian Moritz, scientifique du SIMES et co-auteur de l'article. "C'était le résultat le plus surprenant."

Référence « Loi Wiedemann-Franz dans les isolants Mott dopés sans quasiparticules », auteurs : Wang Wennao, Ding Jixun, Yoni Schattner, Edwin W. Huang, Brian Moritz et Thomas P. Devereaux, 30 novembre 2023, « Science ».

DOI:10.1126/science.ade3232

Source compilée : scitechdaily