一項新的研究認為，維德曼-弗朗茨定律將電子導電性和熱傳導性聯繫在一起，該定律對氧化銅超導體仍然有效。研究表明，量子材料中的差異源於晶格振動等非電子因素。這項發現對於理解非常規超導體具有重要意義，可能會推動該領域的發展。這令人驚訝的結果對於理解非常規超導體和其他電子聚集在一起集體行動的材料非常重要。

早在研究人員發現電子及其在產生電流中的作用之前，他們就已經了解電，並在探索其潛力。他們很早就了解到，金屬是電和熱的最佳導體。1853 年，兩位科學家發現，金屬的這兩種令人讚嘆的特性之間存在某種聯繫： 在任何給定溫度下，他們測試過的任何金屬的電子導電率與熱導率之比大致相同。這所謂的維德曼-弗朗茲定律一直沿用至今–除非在量子材料中，電子不再像單一粒子那樣活動，而是聚集在一起，形成一種電子湯。實驗測量結果表明，這一已有170 年歷史的定律在這些量子材料中被打破了。圖示：強相互作用電子將熱和電荷從量子材料的較熱區域帶到較冷區域。SLAC、史丹佛大學和伊利諾大學的一項理論研究發現，在銅氧化物–像這種電子聚集在一起並協同行動的量子材料–中，熱量傳輸與電荷傳輸的比例應該與電子作為個體行動的普通金屬中的比例相似。這驚人的結果推翻了已有170年歷史的維德曼-弗朗茨定律不適用於量子材料的觀點。資料來源：Greg Stewart/SLAC National. 加速器實驗室

量子材料的新見解現在，美國能源部SLAC國家加速器實驗室、史丹佛大學和伊利諾大學的物理學家提出的一個理論論點表明，該定律實際上大致適用於一種量子材料–氧化銅超導體（或稱銅酸鹽），這種材料在相對較高的溫度下導電無損耗。他們在11 月30 日發表在《科學》（Science）雜誌上的一篇論文中提出，如果只考慮銅氧化物中的電子，維德曼-弗朗茨定律應該仍然大致成立。他們認為，其他因素，如材料原子晶格中的振動，必須解釋為什麼實驗結果看起來不適用該定律。了解非常規超導體論文第一作者、SLAC史丹佛材料與能源科學研究所（SIMES）博士生王文（音譯）說，這令人驚訝的結果對於理解非常規超導體和其他量子材料非常重要。王文說：”最初的定律是針對電子相互作用微弱、表現得像小球一樣從材料晶格中的缺陷上彈起的材料提出的。我們想在這兩種情況都不存在的系統中對該定律進行理論測試。”超導材料於1911 年被發現，它能無阻抗地傳輸電流。但它們在極低的溫度下工作，其用途非常有限。這種情況在1986 年發生了改變，當時發現了第一個所謂的高溫或非常規超導體系列–銅氧化物。儘管銅酸鹽仍然需要在極冷的條件下才能發揮其神奇的作用，但它們的發現給人們帶來了希望，即超導體有朝一日可以在更接近室溫的條件下工作，從而使無損耗電力線等革命性技術成為可能。經過近四十年的研究，這一目標仍然遙不可及，儘管在了解超導態進出的條件方面已經取得了很大進展。理論研究和哈伯德模型的作用借助功能強大的超級電腦進行的理論研究對於解釋這些材料的實驗結果以及理解和預測實驗無法實現的現象至關重要。在這項研究中，SIMES 團隊根據所謂的哈伯德模型進行了模擬，該模型已成為模擬和描述電子停止獨立作用並聯合起來產生意想不到現象的系統的重要工具。結果表明，如果只考慮電子傳輸，電子導電率與熱傳導率之比就會接近維德曼-弗朗茨定律的預測值，因此，實驗中出現的差異應該來自其他方面，例如聲子或晶格振動，而這些並不在哈伯德模型中。未來研究方向SIMES的科學家和論文共同作者布萊恩莫里茲（Brian Moritz）說，雖然這項研究沒有調查振動是如何導致差異的，但”不知何故，系統仍然知道電子間的電荷和熱傳輸之間存在這種對應關係。這是最令人驚訝的結果”。參考文獻《沒有準粒子的摻雜莫特絕緣體中的維德曼-弗朗茲定律》，作者：王文澳、丁繼勳、Yoni Schattner、Edwin W. Huang、Brian Moritz 和Thomas P. Devereaux，2023 年11 月30 日，《科學》。DOI: 10.1126/science.ade3232編譯來源: scitechdaily