Проведен эксперимент, продемонстрировавший нарушение закона Видемана-Франца

Нарушение одного из самых старых эмпирических законов физики наблюдали ученые из Бристольского университета. Их эксперименты на пурпурной бронзе, металле с уникальными электронными свойствами в одном измерении, показали, что закон Видемана-Франца нарушается.

В 1853 г. два немецких физика, Густав Видеман и Рудольф Франц, изучая теплопроводность ряда элементарных металлов, на основании экспериментальных данных обнаружили, что отношение коэффициента теплопроводности к удельной электрической проводимости было приблизительно одинаковым для разных металлов при одной и той же температуре. Связь электропроводности и теплопроводности объясняется тем, что в обоих процессах участвуют свободные электроны.

В 1996 г. американские физики Чарльз Кейн (C. L. Kane) и Мэтью Фишер (Matthew Fisher) теоретически предсказали, что если электроны ограничить индивидуальными атомными цепочками, закон Видемана-Франца может нарушаться. В одномерном мире электрон расщепляется на две квазичастицы, или возбужденных состояния: одна несет спин, но не переносит заряд (спинон), вторая несет заряд, но не спин (холон). Когда холон встречает в цепочке атомов примесь, он отражается. Спинон, с другой стороны, может туннелировать через примесь и продолжить движение по цепочке. Это значит, что тепло будет проводиться через цепочку, а заряд – нет. Это и вызывает нарушение закона Видемана-Франца, которое усиливается с понижением температуры.

Группа экспериментаторов, возглавляемая проф. Найджелом Хуси (Nigel Hussey), проверяли это предсказание на пурпурной бронзе, материале, содержащем атомные цепочки, вдоль которых предпочитали двигаться электроны.

Примечательно, что исследователи обнаружили, что материал проводил тепло в 100 тыс. раз лучше, чем если бы выполнялся закон Видемана-Франца.

Аппарат из оригинальной статьи 1853 г., на котором был обнаружен закон Видемана-Франца