Muito antes de os investigadores descobrirem o eletrão e o seu papel na geração de corrente elétrica, já conheciam a eletricidade e já exploravam o seu potencial. Uma coisa que aprenderam desde cedo foi que os metais eram excelentes condutores de eletricidade e de calor.



Em 1853, dois cientistas mostraram que essas duas propriedades admiráveis ​​dos metais estavam de alguma forma relacionadas:a qualquer temperatura, a relação entre a condutividade eletrônica e a condutividade térmica era aproximadamente a mesma em qualquer metal testado. Esta chamada lei de Wiedemann-Franz tem sido válida desde então – exceto em materiais quânticos, onde os eletrões deixam de se comportar como partículas individuais e se aglomeram numa espécie de sopa de eletrões. Medições experimentais indicaram que a lei de 170 anos falha nesses materiais quânticos, e bastante.

Agora, um argumento teórico apresentado por físicos do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, da Universidade de Stanford e da Universidade de Illinois sugere que a lei deveria, de fato, valer aproximadamente para um tipo de material quântico - os supercondutores de óxido de cobre, ou cupratos, que conduzem eletricidade sem perdas em temperaturas relativamente altas.

Em artigo publicado na Science hoje, eles propõem que a lei de Wiedemann-Franz ainda deveria ser válida se considerarmos apenas os elétrons nos cupratos. Eles sugerem que outros factores, como as vibrações na rede atómica do material, devem ser responsáveis ​​pelos resultados experimentais que fazem parecer que a lei não se aplica.

Este resultado surpreendente é importante para a compreensão dos supercondutores não convencionais e outros materiais quânticos, disse Wen Wang, autor principal do artigo e Ph.D. estudante do Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) no SLAC.

"A lei original foi desenvolvida para materiais onde os elétrons interagem fracamente entre si e se comportam como pequenas bolas que ricocheteiam em defeitos na rede do material", disse Wang. "Queríamos testar a lei teoricamente em sistemas onde nenhuma dessas coisas fosse verdadeira."

Descascar uma cebola quântica

Os materiais supercondutores, que transportam corrente eléctrica sem resistência, foram descobertos em 1911. Mas funcionavam a temperaturas tão extremamente baixas que a sua utilidade era bastante limitada.

Isso mudou em 1986, quando a primeira família dos chamados supercondutores de alta temperatura ou não convencionais – os cupratos – foi descoberta. Embora os cupratos ainda necessitem de condições extremamente frias para fazerem a sua magia, a sua descoberta aumentou a esperança de que os supercondutores pudessem algum dia funcionar a uma temperatura muito mais próxima da temperatura ambiente – tornando possíveis tecnologias revolucionárias, como linhas de energia sem perdas.

Depois de quase quatro décadas de investigação, esse objectivo ainda é ilusório, embora tenham sido feitos muitos progressos na compreensão das condições em que os estados supercondutores entram e desaparecem.

Estudos teóricos, realizados com o auxílio de poderosos supercomputadores, têm sido essenciais para a interpretação dos resultados de experimentos com esses materiais e para a compreensão e previsão de fenômenos que estão fora do alcance experimental.

Para este estudo, a equipe do SIMES realizou simulações baseadas no chamado modelo de Hubbard, que se tornou uma ferramenta essencial para simular e descrever sistemas onde os elétrons deixam de agir de forma independente e unem forças para produzir fenômenos inesperados.

Os resultados mostram que quando se leva em conta apenas o transporte de elétrons, a relação entre a condutividade eletrônica e a condutividade térmica se aproxima do que a lei de Wiedemann-Franz prevê, disse Wang. "Portanto, as discrepâncias que foram observadas em experimentos deveriam vir de outras coisas, como fônons, ou vibrações de rede, que não estão no modelo de Hubbard", disse ela.

O cientista da equipe do SIMES e coautor do artigo, Brian Moritz, disse que embora o estudo não tenha investigado como as vibrações causam as discrepâncias, "de alguma forma o sistema ainda sabe que existe essa correspondência entre carga e transporte de calor entre os elétrons. Esse foi o resultado mais surpreendente ."

A partir daqui, acrescentou, “talvez possamos descascar a cebola para entender um pouco mais”.

Mais informações: Wen O. Wang et al, A lei de Wiedemann-Franz em isoladores de Mott dopados sem quasipartículas, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.ade3232. www.science.org/doi/10.1126/science.ade3232
Informações do diário: Ciência

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC