Všeobecné

Môžete porušiť zákon Wiedemann – Franz? Tento tím vedcov tomu verí


Tím vedcov nedávno zverejnil štúdiu, o ktorej sa domnievajú, že ukazuje, že všeobecne uznávaný zákon Wiedemann – Franz by mohol byť chybný. Zdá sa, že pomocou superchladeného fermionického atómu lítia tím preukázal, že zákon sa rozpadá na kvantovej úrovni.

Tento objav nie je len zaujímavý, ale môže otvoriť nové cesty k testovaniu nových aplikácií pre termoelektrické zariadenia budúcnosti.

Čo je zákon Wiedemann – Franz?

Zákon Wiedemann – Franz bol prvýkrát formulovaný v roku 1853 a popisuje spojenie medzi tepelnou a elektrickou vodivosťou v kovoch s voľne sa pohybujúcimi elektrónmi.

Tu sa tepelná vodivosť (k) definuje ako stupeň schopnosti materiálu viesť teplo. Elektrická vodivosť (σ) je stupeň alebo miera kapacity materiálu viesť elektrinu.

Je to dané vzorcom: -

Kde:-

K = tepelná vodivosť;

σ = elektrická vodivosť;

L = Lorenzovo číslo (2,44 x 10-8 WΩK-2) a;

T = teplota.

Tento základný vzorec potom možno odvodiť tak, aby zahŕňal ďalšie premenné, ako sú nehomogénne materiály (napríklad plyny), teplotné gradienty, smer toku tepla atď.

Vo svojej modernej podobe zákon v podstate hovorí, že pri akejkoľvek stálej teplote existuje pomer medzi tepelnou a elektrickou vodivosťou konštantný.

Tradične sa chápalo, že keď teplota stúpa, rýchlosť akýchkoľvek voľných elektrónov sa zvyšuje. To vedie k zvýšeniu prenosu tepla, ale tiež k zvýšeniu kolízií medzi kovovými mriežkovými iónmi a ich novo excitovanými elektrónmi.

To vedie k poklesu relatívnej elektrickej vodivosti materiálu.

Pred touto štúdiou sa ukázalo, že tento pomer bol univerzálny, a preto bol rovnaký pre úžasnú škálu kovov a podmienok.

Napriek tomu bolo poznamenané, že tieto „univerzálne“ podmienky sa rozpadajú, keď navzájom pôsobia tepelné nosiče (napríklad počas tavenia). Toto bolo zaznamenané na malej vzorke exotických kovov so silne korelovanými elektrónmi.

Ako je tento experiment v rozpore so zákonom?

Dominik Husmann, Laura Corman a kolegovia Tilmana Esslingera z Inštitútu pre kvantovú elektroniku spolupracovali s Jeanom-Philippom Brantutom na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Ich nedávno publikovaný príspevok v časopiseZborník prác Národnej akadémie vied Zdá sa, že zistil, že pri interakcii atómov kovového fermiónu v systéme spojeného prenosu tepla dochádza k radu zaujímavých správaní.

Na svoju štúdiu použili ako nosiče fermionické atómy lítia, ochladili ich na teploty pod mikrokelvinami a obmedzili ich pomocou laserových lúčov. Počnúc niekoľkými stotisícmi v dvoch samostatných zásobníkoch boli schopní nezávisle ohrievať jeden alebo druhý podľa ľubovôle.

Akonáhle sa medzi nimi dosiahol teplotný rozdiel (ožiarením jedného z nich laserom), otvoril sa ďalší malý laserom definovaný a kontrolovaný zásah, nazývaný kontakt kvantového bodu, ktorý ich mal „spojiť“.

Experiment preto poskytuje mimoriadne čistú platformu na štúdium fermionického transportu.

Keď však tím vypočítal pomer medzi tepelnou a časticovou vodivosťou systému, zdalo sa, že je rádovo „nešikovný“ oproti očakávanému výsledku predpovedanému zákonom Wiedemann – Franz.

Zdá sa, že ich experiment sa vyvinul do stavu, keď teplo a prenosové prúdy častíc zmizli dávno predtým, ako sa podarilo dosiahnuť zdanie rovnováhy medzi týmito dvoma zásobníkmi.

Poskytuje to nielen nové výzvy pre mikroskopické modelovanie interagujúcich fermionových systémov, ale mohlo by to otvoriť cestu hľadaniu nových konceptov pre termoelektrické zariadenia. Môžu to byť chladiče a motory, ktoré sú založené na premene teplotných rozdielov na tok častíc a naopak.

Príspevok bol publikovaný v časopiseZborník prác Národnej akadémie vied.


Pozri si video: Heat Conductivity Metals (Január 2022).