Οι ερευνητές δείχνουν ότι ένας παλιός νόμος εξακολουθεί να ισχύει για ιδιόμορφα κβαντικά υλικά

Στον κόσμο της φυσικής, υπάρχουν ορισμένοι νόμοι και αρχές που θεωρούνται θεμελιώδεις, διαμορφώνοντας την κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί το σύμπαν. Μεταξύ αυτών είναι ο νόμος Wiedemann-Franz, ο οποίος σχετίζεται με τη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων. Αυτός ο νόμος, που προτάθηκε για πρώτη φορά τον 19ο αιώνα, έχει μελετηθεί εκτενώς και επαληθεύεται σε διάφορα υλικά. Ωστόσο, η δυνατότητα εφαρμογής του σε ορισμένα μη συμβατικά υλικά, όπως τα κβαντικά υλικά, παρέμεινε ανοιχτό ερώτημα.

Μια πρόσφατη μελέτη που διεξήχθη από μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Maryland και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) έχει ρίξει φως σε αυτό το ερώτημα. Η ομάδα διερεύνησε αρκετά περίεργα κβαντικά υλικά, γνωστά ως τοπολογικά ημιμετρικά, για να διαπιστωθεί εάν ο νόμος Wiedemann-Franz ισχύει σε αυτά τα συστήματα.

Τα τοπολογικά ημιμετρικά είναι μια κατηγορία υλικών που παρουσιάζουν αξιοσημείωτες ηλεκτρονικές ιδιότητες, όπως η παρουσία τοπολογικών επιφανειακών καταστάσεων και η πιθανότητα υλοποίησης εξωτικών κβαντικών φαινομένων. Λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών τους, δεν ήταν σαφές εάν οι συμβατικοί νόμοι της φυσικής, όπως ο νόμος Wiedemann-Franz, θα ισχύουν για αυτά τα υλικά.

Για την αντιμετώπιση αυτής της ερώτησης, η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε λεπτομερείς μετρήσεις της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας διαφόρων τοπολογικών ημιμέτρων, συμπεριλαμβανομένου του βολφραμίου (WTE2), του αρσενιδίου Niobium (NBAS) και του αρσενίου του Tantalum (TaaS). Τα αποτελέσματά τους αποκάλυψαν ότι, παρά την ασυνήθιστη φύση αυτών των υλικών, ο νόμος Wiedemann-Franz κατέχει πράγματι για τοπολογικά ημιμετρικά.

Αυτή η παρατήρηση υποδηλώνει ότι ο νόμος Wiedemann-Franz έχει ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογής από ό, τι είχε προηγουμένως θεωρηθεί, επεκτείνοντας ακόμη και σε εξωτικά κβαντικά υλικά. Η συνέπεια αυτής της θεμελιώδους σχέσης υπογραμμίζει την καθολικότητα ορισμένων φυσικών νόμων, ανεξάρτητα από την υποκείμενη πολυπλοκότητα του υλικού.

Επιπλέον, η μελέτη παρέχει πολύτιμες γνώσεις σχετικά με τις θεμελιώδεις ιδιότητες των τοπολογικών ημιμέτρων. Με την καθιέρωση της εγκυρότητας του νόμου Wiedemann-Franz σε αυτά τα υλικά, οι ερευνητές αποκτούν πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με την ηλεκτρονική δομή τους, τους μηχανισμούς μεταφοράς φορτίου και τις ιδιότητες θερμικής μεταφοράς. Αυτή η γνώση μπορεί να είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση των συσκευών που βασίζονται σε τοπολογικά ημιμετρικά, τα οποία έχουν υποσχόμενες δυνατότητες για μελλοντικές τεχνολογίες.

Συνοπτικά, τα ευρήματα της ερευνητικής ομάδας καταδεικνύουν ότι ο νόμος Wiedemann-Franz δεν περιορίζεται στα συμβατικά μέταλλα, αλλά ισχύει και για τα ιδιόμορφα κβαντικά υλικά όπως τα τοπολογικά ημιμετρικά. Αυτή η παρατήρηση υπογραμμίζει την καθολικότητα ορισμένων φυσικών νόμων, παρέχοντας μια βαθύτερη κατανόηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων αυτών των μη συμβατικών υλικών και ανοίγοντας το δρόμο για τις πιθανές τεχνολογικές εφαρμογές τους.