L’électricité et la chaleur ont toujours été des sujets d’étude fascinants pour les chercheurs. Les métaux, excellents conducteurs de ces deux éléments, ont révélé une relation intéressante entre eux. Cette relation semble toutefois être remise en question dans le cas des matériaux quantiques.
Avant même la découverte de l’électron et de son rôle dans la génération de courant électrique, les chercheurs savaient que les métaux étaient d’excellents conducteurs d’électricité et de chaleur.
En 1853, deux scientifiques ont démontré que ces deux propriétés des métaux étaient liées : à une température donnée, le rapport entre la conductivité électronique et la conductivité thermique était à peu près le même dans tous les métaux testés. Cette loi, connue sous le nom de loi de Wiedemann-Franz, a toujours été vérifiée depuis.
Une exception notable : les matériaux quantiques
Cependant, dans les matériaux quantiques, où les électrons cessent de se comporter comme des particules individuelles pour former une sorte de « soupe d’électrons », cette loi de près de 170 ans semble ne plus s’appliquer.
Les mesures expérimentales indiquent que la loi de Wiedemann-Franz est largement violée dans ces matériaux.
Une nouvelle perspective sur les supraconducteurs d’oxyde de cuivre
Une argumentation théorique récente, proposée par des physiciens du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’énergie des États-Unis, de l’Université Stanford et de l’Université de l’Illinois, suggère que la loi de Wiedemann-Franz devrait, en fait, s’appliquer approximativement à un type de matériau quantique – les supraconducteurs d’oxyde de cuivre, ou cuprates, qui conduisent l’électricité sans perte à des températures relativement élevées.
Dans un article publié dans la revue Science, ils proposent que la loi de Wiedemann-Franz devrait toujours s’appliquer si l’on ne considère que les électrons dans les cuprates. Ils suggèrent que d’autres facteurs, tels que les vibrations dans le réseau atomique du matériau, doivent expliquer les résultats expérimentaux qui donnent l’impression que la loi ne s’applique pas.
En synthèse
La découverte de cette exception à la loi de Wiedemann-Franz dans les matériaux quantiques a ouvert de nouvelles perspectives dans la compréhension des supraconducteurs non conventionnels et d’autres matériaux quantiques.
Les études théoriques, réalisées à l’aide de superordinateurs puissants, ont été essentielles pour interpréter les résultats des expériences sur ces matériaux et pour comprendre et prédire des phénomènes qui sont hors de portée expérimentale.
Les résultats de cette étude suggèrent que lorsque l’on ne prend en compte que le transport électronique, le rapport entre la conductivité électronique et la conductivité thermique se rapproche de ce que prédit la loi de Wiedemann-Franz. Cela signifie que les écarts observés dans les expériences devraient provenir d’autres facteurs, comme les phonons ou les vibrations du réseau, qui ne sont pas pris en compte dans le modèle de Hubbard utilisé pour cette étude.
Cette recherche apporte une nouvelle lumière sur la complexité des matériaux quantiques et ouvre la voie à de nouvelles études pour comprendre davantage ces systèmes fascinants.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la loi de Wiedemann-Franz ?
La loi de Wiedemann-Franz est une loi physique qui établit une relation entre la conductivité électrique et la conductivité thermique d’un métal à une température donnée.
Qu’est-ce qu’un matériau quantique ?
Un matériau quantique est un matériau dans lequel les électrons cessent de se comporter comme des particules individuelles et forment une sorte de «soupe d’électrons».
Qu’est-ce qu’un supraconducteur d’oxyde de cuivre ?
Un supraconducteur d’oxyde de cuivre, ou cuprate, est un type de matériau quantique qui conduit l’électricité sans perte à des températures relativement élevées.
Qu’est-ce que le modèle de Hubbard ?
Le modèle de Hubbard est un outil essentiel pour simuler et décrire les systèmes où les électrons cessent d’agir indépendamment et se regroupent pour produire des phénomènes inattendus.
Qu’est-ce que la supraconductivité à haute température ?
La supraconductivité à haute température est un phénomène observé dans certains matériaux, comme les cuprates, qui peuvent conduire l’électricité sans résistance à des températures plus élevées que les supraconducteurs traditionnels.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| La loi de Wiedemann-Franz établit une relation entre la conductivité électrique et la conductivité thermique d’un métal. |
| Dans les matériaux quantiques, les électrons forment une « soupe d’électrons ». |
| La loi de Wiedemann-Franz semble ne pas s’appliquer aux matériaux quantiques. |
| Les supraconducteurs d’oxyde de cuivre sont des matériaux quantiques qui conduisent l’électricité sans perte à des températures élevées. |
| Le modèle de Hubbard est un outil essentiel pour simuler et décrire les systèmes où les électrons se regroupent pour produire des phénomènes inattendus. |
| Les vibrations du réseau atomique pourraient expliquer pourquoi la loi de Wiedemann-Franz semble ne pas s’appliquer aux matériaux quantiques. |
| La supraconductivité à haute température est un phénomène observé dans certains matériaux, comme les cuprates. |
| Les recherches sur les matériaux quantiques apportent de nouvelles perspectives pour comprendre ces systèmes fascinants. |
Références
Article : « The Wiedemann-Franz law in doped Mott insulators without quasiparticles » – DOI:10.1126/science.ade3232. Article publié dans la revue Science par des physiciens du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’énergie des États-Unis, de l’Université Stanford et de l’Université de l’Illinois.
