Momenteel, er is geen precieze berekeningsmethode om supergeleidende materialen te beschrijven. TU Wien heeft nu een grote stap gezet om dit doel te bereiken en, tegelijkertijd, heeft het begrip vergroot waarom conventionele materialen pas supergeleidend worden bij ongeveer -200°C

Waarom moet het altijd zo koud zijn? Inmiddels kennen we een hele reeks materialen die – onder bepaalde omstandigheden – elektrische stroom geheel weerstandsloos geleiden. Dit fenomeen noemen we supergeleiding. Al deze materialen hebben niettemin een gemeenschappelijk probleem:ze worden pas supergeleidend bij extreem lage temperaturen. De zoektocht naar theoretische computationele methoden om dit feit weer te geven en te begrijpen, is al vele jaren aan de gang. tot nu toe, niemand is er volledig in geslaagd de oplossing te vinden. Echter, TU Wien heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld waarmee supergeleiding aanzienlijk beter begrepen kan worden.

veel deeltjes, complexe berekening

"Werkelijk, het is verrassend dat supergeleiding alleen optreedt bij extreem lage temperaturen, " zegt professor Karsten Held van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. "Als je kijkt naar de energie die vrijkomt door de elektronen die betrokken zijn bij supergeleiding, je zou eigenlijk verwachten dat supergeleiding ook mogelijk is bij veel hogere temperaturen."

In antwoord op dit raadsel, hij en zijn team gingen op zoek naar een betere methode om supergeleiding theoretisch weer te geven. Dr. Motoharu Kitatani is de hoofdauteur van een nieuwe publicatie die aanzienlijke verbeteringen naar voren brengt en een meer diepgaand begrip van supergeleiding bij hoge temperaturen mogelijk maakt.

Het is niet mogelijk om supergeleiding te begrijpen door de elektronen in het materiaal voor te stellen als kleine bolletjes die een duidelijk traject volgen, zoals ballen op een snookertafel. De enige manier waarop je supergeleiding kunt verklaren, is door de wetten van de kwantumfysica toe te passen. "Het probleem is dat veel deeltjes betrokken zijn bij het fenomeen supergeleiding, alles tegelijkertijd, " legt Held uit. "Dit maakt de berekeningen extreem complex."

De individuele elektronen in het materiaal kunnen niet worden beschouwd als objecten die onafhankelijk van elkaar zijn; ze moeten samen worden behandeld. Maar deze taak is zo complex dat het niet mogelijk zou zijn om het nauwkeurig op te lossen, zelfs met de grootste computers ter wereld. "Echter, er zijn verschillende benaderingsmethoden die ons kunnen helpen om de complexe kwantumcorrelaties tussen de elektronen weer te geven, " volgens Held. Een daarvan is de "dynamische gemiddelde-veldtheorie" die ideaal is voor situaties waarin het berekenen van de kwantumcorrelaties tussen de elektronen bijzonder moeilijk is.

Verbeterde weergave van interacties

De onderzoeksgroep van de TU Wien presenteert nu een aanvulling op de bestaande theorie die steunt op een nieuwe 'Feynman-diagram'-berekening. Feynmandiagrammen – bedacht door Nobelprijswinnaar Richard Feynman – zijn een manier om de interacties tussen deeltjes weer te geven. Alle mogelijke interacties – zoals wanneer deeltjes botsen, maar ook de emissie of absorptie van deeltjes – worden weergegeven in diagrammen en kunnen worden gebruikt om zeer nauwkeurige berekeningen te maken.

Feynman ontwikkelde deze methode voor gebruik bij het bestuderen van individuele deeltjes in een vacuüm, het kan echter ook worden gebruikt om complexe interacties tussen deeltjes in vaste objecten weer te geven. Het probleem in de vastestoffysica is dat je rekening moet houden met een groot aantal Feynman-diagrammen, omdat de interactie tussen de elektronen zo intens is. "In een methode ontwikkeld door professor Toschi en mijzelf, we gebruiken de Feynman-diagrammen niet langer alleen om interacties weer te geven, maar gebruik ook een complexe, tijdsafhankelijk hoekpunt als component, " legt Held uit. "Dit hoekpunt zelf bestaat uit een oneindig aantal Feynman-diagrammen, maar met een slimme truc, het kan nog steeds worden gebruikt voor berekeningen op een supercomputer."

Nauwkeurig speurwerk

Hierdoor is een uitgebreide vorm van de dynamische gemiddelde-veldentheorie ontstaan ​​die een goede benadering mogelijk maakt van de complexe kwantuminteractie van de te berekenen deeltjes. "Het opwindende in termen van natuurkunde is dat we kunnen aantonen dat het eigenlijk de tijdsafhankelijkheid van het hoekpunt is, wat betekent dat supergeleiding alleen mogelijk is bij lage temperaturen." Na veel nauwgezet speurwerk, Motoharu Kitatani en professor Held konden zelfs het orthodoxe Feynman-diagram identificeren dat laat zien waarom conventionele materialen pas supergeleidend worden bij -200°C en niet bij kamertemperatuur.

In combinatie met experimenten die momenteel worden uitgevoerd aan het Institute of Solid State Physics in een werkgroep onder leiding van professor Barisic, de nieuwe methode moet een belangrijke bijdrage leveren aan het beter begrijpen van supergeleiding en zo de ontwikkeling van nog betere supergeleidende materialen mogelijk maken. Het identificeren van een materiaal dat ook supergeleidend is bij kamertemperatuur zou een enorme doorbraak zijn, en zou een hele reeks revolutionaire technologische innovaties mogelijk maken.