150 metų senumo fizikos dėsnis nebegalioja

1853 metais du vokiečių fizikai: Gustavas Vydemanas ir Rudolfas Francas, nagrinėjo kelių metalų terminį laidumą, tai yra sistemos šilumos perdavimo gebėjimą. Jie atrado, kad šiluminio ir elektrinio laidumų santykis yra apytiksliai vienodas skirtingiems metalams vienodose temperatūrose.

Šio empiriškai nustatyto dėsnio priežastis tapo aiški praėjusio amžiaus pradžioje tik atradus elektroną bei atėjus kvantinei mechanikai. Elektronas turi sukinį ir krūvį. Elektronams judant metalu, susidaro elektros srovė, nes elektronų judėjimas yra krūvių judėjimas. Taip pat elektronų judėjimas perneša metale ir šilumą. Kadangi elektronai perneša šilumą ir krūvį, tai šiluminio ir elektrinio laidumų santykis nedaug skiriasi skirtingiems metalams.

Per paskutiniuosius šimtą penkiasdešimt metų buvo parodyta, kad Vydemano-Franco dėsnis yra neįprastai stiprus. Ištyrus tūkstančius metalinėmis savybėmis pasižyminčių sistemų, šiluminio ir elektrinio laidumų santykis daugiausia skyrėsi apie penkiasdešimt procentų.

1996 metais amerikos fizikai C. L. Keinas (Kane) ir Metju Fišeris (Matthew Fisher) teoriškai numatė, kad, jei elektronus pririšite prie atskirų atominių grandinių, tai Vydemano-Franco dėsnis nebegalios. Tokiame vienmačiame pasaulyje elektronai sudaro dvi sistemas. Vienoje sistemoje esantys elektronai perneša sukinį, tačiau neperneša krūvio (tokie elektronai vadinami spinonais). Kitoje sistemoje esantys elektronai perneša krūvį, tačiau neperneša sukinio. Jie vadinami holonais. Holonui susidūrus su priemaiša, esančia atomų grandinėje, jis yra atspindimas. Iš kitos pusės, spinonai gali būti tuneliuojami per priemaišą ir tokiu būdu tęsti savo judėjimą. Tai reiškia, kad šiluma yra lengvai perduodama išilgai grandinės, o krūvis nėra pernešamas. Tokiu būdu Vydemano-Franco dėsnis yra pažeidžiamas, ir tuo labiau, kuo žemesnė temperatūra.

Eksperimentuotojų grupė, vadovaujama Naidželio Hasejaus, kuris dirba Bristolio universitete, ištyrė teoretikų numatymus su purpurine bronza. Įdomiausia, kad jie gavo, jog medžiagos šiluminis laidumas yra apie šimtą tūkstančių kartų didesnis nei numato Vydemano-Franco dėsnis, galiojantis kitiems metalams. Šis gautas dėsnio pažeidimas parodo, kokiomis neįprastomis savybėmis pasižymi elektronai vienmačiame pasaulyje. Gauti rezultatai taip pat gali būti svarbūs ir technologinėje perspektyvoje.

Profesorius Hasėjus pasakė: „galima sukurti visiškai vienmates atomų grandines ant medžiagų paviršių ar dvimačių sluoksnių, tokių kaip grafenas. Tačiau trimačiame kietame kūne visados bus tam tikras ryšys tarp atskirų atomų grandinių, ir tai leis elektronams judėti trimatėje erdvėje.“

„Tačiau purpurinės bronzos atveju, ryšys tarp atomų skirtingose grandinėse yra stipriai apribotas. Todėl elektronai yra uždaryti. Gaunamas vienmatis pasaulis trimatėje sistemoje. Pagrindinis tikslas yra atrasti, pavyzdžiui, būdą, naudojant slėgį bei cheminius priedus, kaip būtų galima padidinti galimybę elektronams peršokti į skirtingas atomų grandines. Būtų galima tirti, kaip kinta sukinių ir krūvių būsenos, kai trimatis pasaulis vėl yra atkurtas medžiagoje.“