Superledning - hvorfor skal det være så koldt?

I øjeblikket, der er ingen præcis beregningsmetode til beskrivelse af superledende materialer. TU Wien har nu gjort et stort fremskridt mod at nå dette mål og, på samme tid, har fremmet en forståelse af, hvorfor konventionelle materialer først bliver superledende ved omkring -200 ° C

Hvorfor skal det altid være så koldt? Vi kender nu til en hel række materialer, der - under visse betingelser - leder elektrisk strøm helt uden modstand. Vi kalder dette fænomen for superledning. Alle disse materialer oplever ikke desto mindre et fælles problem:de bliver kun superledende ved ekstremt lave temperaturer. Søgningen efter at finde teoretiske beregningsmetoder til at repræsentere og forstå denne kendsgerning har været i gang i mange år. Endnu, ingen er fuldt ud lykkedes med at finde løsningen. Imidlertid, TU Wien har nu udviklet en ny metode, der muliggør en betydeligt bedre forståelse af superledning.

Mange partikler, kompleks beregning

"Rent faktisk, det er overraskende, at superledning kun forekommer ved ekstremt lave temperaturer, "siger professor Karsten Held fra Institute of Solid State Physics på TU Wien." Når man overvejer energien frigivet af elektronerne, der er involveret i superledning, du ville faktisk forvente, at superledning også ville være mulig ved meget højere temperaturer. "

Som svar på denne gåde, han og hans team begyndte at lede efter en bedre metode til at repræsentere superledning teoretisk. Dr. Motoharu Kitatani er hovedforfatter til en ny publikation, der frembringer betydelige forbedringer og muliggør en mere dybdegående forståelse af høj temperatur superledning.

Det er ikke muligt at forstå superledning ved at forestille sig elektronerne i materialet som små kugler, der følger en tydelig bane som bolde på et snookerbord. Den eneste måde, du kan forklare superledning på, er ved at anvende kvantefysikkens love. "Problemet er, at mange partikler er involveret i fænomenet superledning, alt på samme tid, "forklarer Held." Dette gør beregningerne ekstremt komplekse. "

De enkelte elektroner i materialet kan ikke betragtes som objekter, der er uafhængige af hinanden; de skal behandles sammen. Men denne opgave er så kompleks, at det ikke ville være muligt at løse den præcist, selv bruger de største computere i verden. "Imidlertid, der er forskellige tilnærmelsesmetoder, der kan hjælpe os med at repræsentere de komplekse kvantekorrelationer mellem elektronerne, "ifølge Held. En af disse er den" dynamiske middelfeltsteori ", der er ideel til situationer, hvor beregning af kvantekorrelationer mellem elektronerne er særlig vanskelig.

Forbedret repræsentation af interaktioner

Forskningsgruppen på TU Wien præsenterer nu en tilføjelse til den eksisterende teori, der bygger på en ny 'Feynman -diagram' beregning. Feynman -diagrammer - udarbejdet af nobelprisvinder Richard Feynman - er en måde at repræsentere interaktionerne mellem partikler på. Alle mulige interaktioner - f.eks. Når partikler støder sammen, men også emission eller absorption af partikler - er repræsenteret i diagrammer og kan bruges til at foretage meget præcise beregninger.

Feynman udviklede denne metode til brug ved undersøgelse af individuelle partikler i et vakuum, men den kan også bruges til at skildre komplekse interaktioner mellem partikler i faste objekter. Problemet i solid state -fysik er, at du skal tillade et stort antal Feynman -diagrammer, fordi interaktionen mellem elektronerne er så intens. "I en metode udviklet af professor Toschi og mig selv, vi bruger ikke længere Feynman -diagrammerne udelukkende til at skildre interaktioner, men brug også et kompleks, tidsafhængig toppunkt som komponent, "forklarer Held." Dette toppunkt i sig selv består af et uendeligt antal Feynman -diagrammer, men ved hjælp af et smart trick, det kan stadig bruges til beregninger på en supercomputer. "

Omhyggeligt detektivarbejde

Dette har skabt en udvidet form for den dynamiske middel-felt-teori, der gør det muligt at beregne en god tilnærmelse af partiklernes komplekse kvanteinteraktion. "Det spændende med hensyn til fysik er, at vi kan vise, at det faktisk er toppunktets tidsafhængighed, der betyder, at superledning kun er mulig ved lave temperaturer." Efter et stort omhyggeligt detektivarbejde, Motoharu Kitatani og professor Held var endda i stand til at identificere det ortodokse Feynman -diagram, der viser, hvorfor konventionelle materialer kun bliver superledende ved -200 ° C og ikke ved stuetemperatur.

I forbindelse med eksperimenter, der i øjeblikket udføres på Institute of Solid State Physics i en arbejdsgruppe under ledelse af professor Barisic, den nye metode bør yde et væsentligt bidrag til den bedre forståelse af superledning og dermed muliggøre udvikling af endnu bedre superledende materialer. At identificere et materiale, der også er superledende ved stuetemperatur, ville være et stort gennembrud, og ville muliggøre en hel række revolutionerende teknologiske innovationer.