超導 為什么它必須如此冷

目前，沒有精確的計算方法來描述超導材料?？茖W家們現(xiàn)在在實現(xiàn)這一目標方面取得了重大進展，同時也進一步了解了為什么傳統(tǒng)材料僅在-200°C左右變成超導體。為什么總是這么冷?我們現(xiàn)在知道一系列材料 - 在某些條件下 - 完全沒有阻力地傳導電流。我們把這種現(xiàn)象稱為超導。盡管如此，所有這些材料仍然存在一個共同的問題：它們僅在極低的溫度下才變成超導體。尋找理論計算方法來代表和理解這一事實已經(jīng)持續(xù)了很多年。到目前為止，還沒有人完全成功找到解決方案。然而，TU Wien現(xiàn)在開發(fā)了一種新方法，可以更好地理解超導。

“實際上，令人驚訝的是超導僅發(fā)生在極低的溫度下，”TU Wien固態(tài)物理研究所的Karsten Held教授說。“當你考慮超導中涉及的電子所釋放的能量時，你實際上也會期望在更高的溫度下實現(xiàn)超導。”

為了應對這一難題，他和他的團隊著手尋找一種更好的理論上代表超導的方法。Motoharu Kitatani博士是新出版物的主要作者，該出版物帶來了重大改進，使人們能夠更深入地了解高溫超導性。

通過像斯諾克臺球上的球一樣明顯的軌跡，想象材料中的電子就像微小的球體一樣，無法理解超導。解釋超導的唯一方法是應用量子物理定律。“問題在于，許多粒子都同時涉及超導現(xiàn)象，”Held解釋道。“這使得計算極其復雜。”

材料中的各個電子不能被視為彼此獨立的物體;他們需要一起對待。然而，這項任務非常復雜，即使使用世界上最大的計算機，也無法準確地解決它。

“然而，有各種近似方法可以幫助我們表示電子之間復雜的量子相關性，”Held表示。其中之一是“動態(tài)平均場理論”，對于計算電子之間的量子相關特別困難的情況是理想的。

TU Wien的研究小組現(xiàn)在正在對現(xiàn)有理論進行補充，該理論依賴于新的“費曼圖”計算。費曼圖 - 由諾貝爾獎得主理查德費曼設計 - 是一種表示粒子之間相互作用的方式。所有可能的相互作用 - 例如粒子碰撞時，以及粒子的發(fā)射或吸收 - 都在圖表中表示，可用于進行非常精確的計算。

費曼開發(fā)了這種方法用于研究真空中的單個粒子，但它也可用于描述固體物體中粒子之間的復雜相互作用。固態(tài)物理學的問題在于你需要允許大量的費曼圖，因為電子之間的相互作用非常強烈。“在Toschi教授和我自己開發(fā)的方法中，我們不再僅僅使用Feynman圖來描繪相互作用，而是使用復雜的，時間相關的頂點作為組件，”Held解釋說。“這個頂點本身由無數(shù)的費曼圖組成，但是使用一個聰明的技巧，它仍然可以用于超級計算機上的計算。”

這創(chuàng)造了動態(tài)平均場理論的擴展形式，使得能夠很好地近似計算粒子的復雜量子相互作用。“在物理學方面令人興奮的是，我們可以證明它實際上是頂點的時間依賴性，這意味著超導只能在低溫下進行。”經(jīng)過大量艱苦的偵探工作，Motoharu Kitatani和Held教授甚至能夠識別出正統(tǒng)的Feynman圖表，該圖表顯示了為什么常規(guī)材料僅在-200°C而非室溫下變?yōu)槌瑢А?/p>

結(jié)合目前在由Barisic教授領導的工作組中的固態(tài)物理研究所進行的實驗，新方法應該對更好地理解超導能做出重大貢獻，從而能夠開發(fā)出更好的超導材料。識別在室溫下也是超導的材料將是一個巨大的突破，并將實現(xiàn)一系列革命性的技術(shù)創(chuàng)新。