Sticky elektroner:Når frastødning bliver til tiltrækning

Materialer kan antage helt forskellige egenskaber afhængigt af temperatur, tryk, elektrisk spænding eller andre fysiske størrelser. I teoretisk faststoffysik, state-of-the-art computermodeller bruges til at forstå disse egenskaber i detaljer. Nogle gange fungerer det godt, men nogle gange opstår der mærkelige effekter, som stadig virker forvirrende - såsom fænomener forbundet med højtemperatursuperledning.

Et par år siden, forskere ved TU Wien var allerede i stand til matematisk at afklare, hvor grænsen går mellem det område, der følger de kendte regler, og det område, hvor usædvanlige effekter spiller en vigtig rolle. Nu, ved hjælp af komplekse beregninger på supercomputere, det har for første gang været muligt at forklare præcis, hvad der sker, når denne grænse overskrides:Frastødningen mellem elektronerne modvirkes pludselig af en yderligere tiltrækningskraft, der muliggør fuldstændig kontraintuitive effekter.

På samme måde som vandmolekyler kombineres for at danne dråber, elektronerne kan så mødes på bestemte punkter, som om de delvist holdt sammen. Resultaterne, som blev opnået i et internationalt samarbejde mellem TU Wien, universitetet i Würzburg, University of L'Aquila og Georgetown University i Washington D.C., er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

Mod det uendelige univers

"Elektroner er negativt ladede, de frastøder hinanden. Derfor, elektroner, der bevæger sig gennem materialet, bliver spredt af andre elektroner, " siger prof. Alessandro Toschi fra Institute of Solid State Physics ved TU Wien. "Men, denne spredning er ikke altid lige stærk. Det er muligt, at frastødningen mellem elektronerne afskærmes i materialet. Dette afhænger af mange faktorer, såsom den kemiske sammensætning af materialet."

Præcis på grænsen, hvor usædvanlige effekter begynder at vise sig, spredningsprocesserne mellem elektronerne bliver teoretisk uendeligt stærke på grund af den manglende screening. Dette er kendt som "divergens" - og disse divergenser udgør en stor udfordring for forskning. "I lang tid, der var en meget kontroversiel diskussion:Har disse divergenser faktisk en reel fysisk betydning?" siger Patrick Chalupa, der forsker i dette problem som en del af sin afhandling i Alessandro Toschis gruppe. "Vi var i stand til at besvare dette spørgsmål:Ja, disse forskelle er ikke bare en matematisk nysgerrighed, men nøglen til en bedre forståelse af vigtige materielle effekter, siger Matthias Reitner, som skrev sit speciale om dette emne.

Hvis du nærmer dig den matematiske grænse, frastødningen bliver stærkere og stærkere. Ved grænsen, den tilsvarende spredning mellem elektronerne bliver uendelig stor, men hvis du krydser grænsen, sker der noget overraskende:Afvisningen forårsager pludselig en yderligere tiltrækning. Denne effektive tiltrækning tvinger elektronerne til at samle sig på bestemte punkter i et begrænset rum, som om de delvist hang sammen. Denne drastiske ændring i adfærd er tæt forbundet med forekomsten af ​​forskelle.

Faseovergang, ligner vanddamp

"Resultatet er en situation, der minder om flydende vand og vanddamp, " siger Alessandro Toschi, "under visse forhold er der en tiltrækning mellem vandmolekylerne. De binder sig sammen og skaber en blanding af væskedråber og gasformig damp. oprindelsen af ​​denne attraktion er helt forskellig i de to tilfælde."

For første gang, det har været muligt at få et detaljeret billede af, hvad der sker i sådanne situationer fra et materialevidenskabeligt perspektiv på et mikroskopisk niveau. "Det betyder, at det nu er muligt at forstå præcis, hvorfor visse matematiske tilgange, såkaldte forstyrrende metoder, ikke gav det rigtige resultat, "siger Patrick Chalupa.

Denne nye mikroskopiske indsigt kunne være en manglende brik i puslespillet for den teoretiske forståelse af såkaldte ukonventionelle superledere. Det er materialer baseret på jern, kobber eller nikkel, der kan være superledende under visse forhold op til forbløffende høje temperaturer. "Måske vil vi endelig være i stand til at besvare nogle af de væsentlige spørgsmål, der er forblevet ubesvarede siden opdagelsen af ​​disse mystiske materialer for 40 år siden, " håber Matthias Reitner.