Transport ciepła z użyciem spinonów

Angielscy naukowcy jako pierwsi na świecie dokonali pomiaru separacji spinowo-ładunkowej w objętościowym materiale występującym w fazie stałej. Badacze odkryli, że materiał ten narusza empiryczne prawo Wiedemanna-Franza, odkryte ponad sto pięćdziesiąt lat temu.

Zgodnie z prawem Wiedemanna-Franza, stosunek przewodności cieplnej do przewodności elektrycznej dla różnych metali w pewnej, stałej temperaturze jest w przybliżeniu jednakowy. W 1996 roku fizycy Charles Kane i Matthew Fisher zapostulowali jednak, że zależność ta jest słuszna wyłącznie dla układów dwu- i trójwymiarowych. W przypadku metali jednowymiarowych (1D), w których ruch elektronów jest ograniczony tylko do jednego wymiaru (np. łańcuch atomów), powinno występować odstępstwo od prawa Wiedemanna-Franza. Sprawdzeniem tej hipotezy zajął się zespół naukowców kierowany przez Nigela Hussey’a z University of Bristol w Wielkiej Brytanii.

W układach 1D, elektrony „podzielone” są na dwie quazicząstki: przenoszące spin spinony oraz transportujące ładunek holony. Efekt ten znany jako separacja spinowo-ładunkowa został po raz pierwszy zaobserwowany w tzw. cieczy Fermiego oraz cieczy Tomonagi-Luttingera. Separacja spinowo-ładunkowa „odpowiedzialna” jest za propagację spinu i ładunku w różnych kierunkach z różnymi prędkościami. Za jej powstanie odpowiedzialne są oddziaływania elektrostatyczne (kulombowskie) występujące pomiędzy elektronami.

Purpurowa mgła

Hussey wyjaśnił, że chociaż zjawisko spinowo-ładunkowej separacji występuje tylko w układach 1D, mimo to w obiektach trójwymiarowych (3D) zawsze istnieje pewne resztkowe sprzężenie pomiędzy indywidualnymi łańcuchami atomów. Takim materiałem jest np. Li_0,9Mo₆O₁₇ nazywany purpurowym brązem. Materiał ten składa się z łańcuchów atomów charakteryzujących się dużą przewodnością elektryczną, osadzonych w izolującej matrycy. Sprzężenie wewnątrz każdego takiego łańcucha jest na tyle silne, że ruch elektronów jest skutecznie ograniczony do pojedynczych łańcuchów tworząc jednowymiarowy „świat” w trójwymiarowym obiekcie. „Łańcuchy są oddalone od siebie o kilka angstremów i dlatego też duża liczba łańcuchów będzie charakteryzować się pokryciem orbitali elektronowych. Sprzężenie pomiędzy łańcuchami jest jednak na tyle słabe, że elektrony mogą sporadycznie przeskakiwać pomiędzy nimi”, powiedział Hussey.

Zdaniem naukowców dramatyczne odstępstwo od prawa Wiedemanna-Franza pojawiające się w purpurowym brązie występuje wtedy, gdy holony, przenoszące ładunek, ulegają zderzeniom z domieszkami w łańcuchach atomowych. Następstwem tych zderzeń, wskutek odbicia, jest ruch holonów w przeciwnym kierunku. W przeciwieństwie do holonów, spinony, przenoszące ciepło, mogą tunelować przez atomy domieszek i w konsekwencji kontynuować ruch w zadanym kierunku. W efekcie ciepło może być z łatwością transportowane przez pojedyncze łańcuchy atomów. Podobny efekt występuje, gdy spinony lub holony zderzają się ze sobą – w tym przypadku odstępstwo od prawa Wiedemanna-Franz wzrasta wraz z obniżaniem temperatury. „Do tej pory pojawiło się kilkanaście doniesień na temat separacji spinowo-ładunkowej, jednak większość z nich dotyczyła układów jednowymiarowych”, powiedział Hussey. „Nasza praca jest prawdopodobnie pierwszą stwierdzającą występowanie tego efektu w obiekcie 3D”.

Naukowcy odkryli także, że purpurowy brąz umieszczony w polu magnetycznym przewodzi ciepło tak dobrze, jak miedź. „Byliśmy tym faktem naprawdę zaskoczeni. Jednowymiarowe materiały bardzo słabo przewodzą ciepło. Po umieszczeniu purpurowego brązu w polu magnetycznym okazało się, że przewodzi on ciepło sto tysięcy razy lepiej, niż oczekiwaliśmy. Naprawdę nie wiemy dlaczego ciepło jest transportowane tak efektywnie w polu magnetycznym. Jest to kolejny element, który będziemy starali się wyjaśnić”. Według Husseya odkryte zjawisko może znaleźć wiele potencjalnych zastosowań technologicznych m.in. w jednowymiarowych układach, takich jak nanorurki węglowe.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com