維德曼-弗蘭茲定律的有效性
今天我們知道，電子是宇宙中最基本的粒子之一。然而，早在電子以及電子在電流中的作用被發現之前，人們就已經瞭解了電，並探索了電的潛力。人們也很早就知道，金屬是電和熱的良好導體。
1853年，德國物理學家維德曼（Gustav Wiedemann）和弗蘭茲（Rudolph Franz）透過實驗測量發現，在某種程度上，金屬的導電性和導熱性是兩種相關的特性：在接近絕對零度的溫度上，金屬的熱導率與電導率之比，與溫度成正比。金屬的這種行為被稱為維德曼-弗蘭茲定律。
然而，隨著對凝聚態物理的理解越來越深入，物理學家發現在電子相互作用非常強的量子材料中，也就是電子的行為不再像單個粒子那樣，而是會聚集在一起形成一種電子湯的材料中，這個定律似乎就不再適用。
現在，在一項新發表於《科學》雜誌的研究中，一個理論物理學家團隊提出，在某一類量子材料中，這一定律應該仍然有效，這種材料就是銅氧化物。
奇異的量子材料：超導體
1911年，物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）在研究汞的電學效應時，發現當一根汞線被冷卻到僅比絕對零度高4度（4K）的溫度時，汞的電阻會突降為零，電流在沒有任何熱損耗的情況下不間斷地流動。汞也因此成為第一個已知的超導材料。
但這些傳統材料只能在極低的溫度下進入超導狀態，因此它們的用途非常有限。直到1986年，這種情況發生了變化：當時，物理學家意外地發現了第一個所謂的“高溫超導體”，臨界溫度大約為30K（-243℃）的銅氧化物。
這類材料被稱為非常規超導體，它們無法用主流超導理論來解釋。與可被主流理論解釋的常規超導體相比，非常規超導體可以在相對較高的溫度下表現出超導性。很快，其他研究團隊也製造出了相關材料，相繼發現了其他臨界溫度高於100K的銅氧化物，甚至高於130K的銅氧化物。
儘管銅氧化物仍然需用液氮來冷卻，但與需要用液氦來冷卻到更低溫度的傳統超導材料相比，銅氧化物材料要實用得多。它們的出現為超導研究領域帶來了新的希望。人們開始期待，或許有一天，超導體可以在更接近室溫的條件下工作，從而使零損耗的電力線等革命性技術成為可能。
雖然這一目標仍難以實現，但科學家已經在理解能導致超導態的出現和消失的條件方面，取得了重大進展。
仍然成立
哈伯德模型是一個被用來模擬這些材料的主要模型。這個模型將電子表示為在晶格上的固定位置之間跳躍的費米子，當它們佔據同一晶格位置時，會發生相互作用。它被廣泛用於模擬和描述電子之間會發生相互作用，而不是獨立運動的系統。
在新的研究中，研究人員在強大的超級計算機的幫助下，基於哈伯德模型對銅氧化物進行了模擬。他們發現，如果只考慮電子傳遞，那麼銅氧化物的洛倫茲常量，也就是它們的熱導率與電導率之比除以溫度，接近維德曼-弗蘭茲定律所預測的值。
研究人員指出，在對強相關材料（即電子相互作用非常強的材料）進行的實驗中觀所測到的差異，可能來自其他因素，比如聲子或晶格振動，而這些因素並不包括在哈伯德模型中。
研究人員表示，儘管他們尚未弄清楚晶格振動是如何導致這種差異的，但現在他們已經瞭解到，在這些強相關材料中，電子之間的電荷傳遞和熱傳遞之間仍存在這種對應關係，這是最令人驚訝的。而這一令人驚訝的結果將對於理解非常規超導體和其他量子材料具有重要意義。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2023-11-30-researchers-show-old-law-still-holds-quirky-quantum-materials
https://physicsworld.com/a/170-year-old-physical-law-unexpectedly-holds-true-in-high-temperature-superconductors/
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3232
#圖片來源：
封面圖&首圖：Greg Stewart/SLAC National. Accelerator Laboratory
