维德曼-弗兰兹定律的有效性

今天我们知道，电子是宇宙中最基本的粒子之一。然而，早在电子以及电子在电流中的作用被发现之前，人们就已经了解了电，并探索了电的潜力。人们也很早就知道，金属是电和热的良好导体。

1853年，德国物理学家维德曼（Gustav Wiedemann）和弗兰兹（Rudolph Franz）通过实验测量发现，在某种程度上，金属的导电性和导热性是两种相关的特性：在接近绝对零度的温度上，金属的热导率与电导率之比，与温度成正比。金属的这种行为被称为维德曼-弗兰兹定律。

然而，随着对凝聚态物理的理解越来越深入，物理学家发现在电子相互作用非常强的量子材料中，也就是电子的行为不再像单个粒子那样，而是会聚集在一起形成一种电子汤的材料中，这个定律似乎就不再适用。

现在，在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个理论物理学家团队提出，在某一类量子材料中，这一定律应该仍然有效，这种材料就是铜氧化物。

奇异的量子材料：超导体

1911年，物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在研究汞的电学效应时，发现当一根汞线被冷却到仅比绝对零度高4度（4K）的温度时，汞的电阻会突降为零，电流在没有任何热损耗的情况下不间断地流动。汞也因此成为第一个已知的超导材料。

但这些传统材料只能在极低的温度下进入超导状态，因此它们的用途非常有限。直到1986年，这种情况发生了变化：当时，物理学家意外地发现了第一个所谓的“高温超导体”，临界温度大约为30K（-243℃）的铜氧化物。

这类材料被称为非常规超导体，它们无法用主流超导理论来解释。与可被主流理论解释的常规超导体相比，非常规超导体可以在相对较高的温度下表现出超导性。很快，其他研究团队也制造出了相关材料，相继发现了其他临界温度高于100K的铜氧化物，甚至高于130K的铜氧化物。

尽管铜氧化物仍然需用液氮来冷却，但与需要用液氦来冷却到更低温度的传统超导材料相比，铜氧化物材料要实用得多。它们的出现为超导研究领域带来了新的希望。人们开始期待，或许有一天，超导体可以在更接近室温的条件下工作，从而使零损耗的电力线等革命性技术成为可能。

虽然这一目标仍难以实现，但科学家已经在理解能导致超导态的出现和消失的条件方面，取得了重大进展。

仍然成立

哈伯德模型是一个被用来模拟这些材料的主要模型。这个模型将电子表示为在晶格上的固定位置之间跳跃的费米子，当它们占据同一晶格位置时，会发生相互作用。它被广泛用于模拟和描述电子之间会发生相互作用，而不是独立运动的系统。

在新的研究中，研究人员在强大的超级计算机的帮助下，基于哈伯德模型对铜氧化物进行了模拟。他们发现，如果只考虑电子传递，那么铜氧化物的洛伦兹常量，也就是它们的热导率与电导率之比除以温度，接近维德曼-弗兰兹定律所预测的值。

研究人员指出，在对强相关材料（即电子相互作用非常强的材料）进行的实验中观所测到的差异，可能来自其他因素，比如声子或晶格振动，而这些因素并不包括在哈伯德模型中。

研究人员表示，尽管他们尚未弄清楚晶格振动是如何导致这种差异的，但现在他们已经了解到，在这些强相关材料中，电子之间的电荷传递和热传递之间仍存在这种对应关系，这是最令人惊讶的。而这一令人惊讶的结果将对于理解非常规超导体和其他量子材料具有重要意义。