Afhankelijk van de temperatuur kunnen materialen totaal verschillende eigenschappen aannemen, druk, elektrische spanning of andere fysieke grootheden. In de theoretische vastestoffysica, state-of-the-art computermodellen worden gebruikt om deze eigenschappen in detail te begrijpen. Soms werkt dit goed, maar soms treden er vreemde effecten op die nog steeds raadselachtig lijken, zoals verschijnselen die verband houden met supergeleiding bij hoge temperaturen.

Een paar jaar geleden, wetenschappers van de TU Wien konden al wiskundig duidelijk maken waar de grens ligt tussen het gebied dat de bekende regels volgt en het gebied waar ongebruikelijke effecten een belangrijke rol spelen. Nutsvoorzieningen, met behulp van complexe berekeningen op supercomputers, het is voor het eerst mogelijk geweest om precies uit te leggen wat er gebeurt als deze grens wordt overschreden:de afstoting tussen de elektronen wordt plotseling tegengewerkt door een extra aantrekkende kracht die volledig contra-intuïtieve effecten mogelijk maakt.

Vergelijkbaar met de manier waarop watermoleculen zich combineren om druppeltjes te vormen, de elektronen kunnen dan op bepaalde punten samenkomen, alsof ze gedeeltelijk aan elkaar plakten. De resultaten, die zijn verkregen in een internationale samenwerking tussen TU Wien, de universiteit van Würzburg, de Universiteit van L'Aquila en de Universiteit van Georgetown in Washington D.C., zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Tot de oneindigheid en verder

"Elektronen zijn negatief geladen, ze stoten elkaar af. Daarom, elektronen die door het materiaal bewegen, worden verstrooid door andere elektronen, " zegt prof. Alessandro Toschi van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. "Echter, deze verstrooiing is niet altijd even sterk. Het is mogelijk dat de afstoting tussen de elektronen in het materiaal wordt afgeschermd. Dit hangt van veel factoren af, zoals de chemische samenstelling van het materiaal."

Precies op de grens waar ongebruikelijke effecten beginnen te verschijnen, de verstrooiingsprocessen tussen de elektronen worden theoretisch oneindig sterk door het ontbreken van afscherming. Dit staat bekend als "divergentie" - en deze verschillen vormen een grote uitdaging voor onderzoek. "Voor een lange tijd, er was een zeer controversiële discussie:hebben deze verschillen echt een fysieke betekenis?", zegt Patrick Chalupa, die dit probleem onderzoekt als onderdeel van zijn proefschrift in de groep van Alessandro Toschi. "We konden deze vraag beantwoorden:Ja, deze verschillen zijn niet alleen een wiskundige curiositeit, maar de sleutel tot een beter begrip van belangrijke materiële effecten, " zegt Matthias Reitner, die zijn masterscriptie over dit onderwerp schreef.

Als je de wiskundige limiet nadert, de afstoting wordt sterker en sterker. Op de limiet, de corresponderende verstrooiing tussen de elektronen wordt oneindig groot, maar als je de grens overschrijdt, er gebeurt iets verrassends:de afstoting zorgt ineens voor een extra aantrekkingskracht. Deze effectieve aantrekking dwingt de elektronen om zich op bepaalde punten in een besloten ruimte te verzamelen, alsof ze gedeeltelijk aan elkaar plakten. Deze drastische gedragsverandering hangt nauw samen met het optreden van de afwijkingen.

Fase transitie, gelijk aan waterdamp

"Het resultaat is een situatie die doet denken aan vloeibaar water en waterdamp, " zegt Alessandro Toschi, "Onder bepaalde omstandigheden is er een aantrekkingskracht tussen de watermoleculen. Ze binden aan elkaar en creëren een mengsel van vloeistofdruppels en gasvormige stoom. Echter, de oorsprong van deze attractie is in beide gevallen totaal anders."

Voor de eerste keer, het is mogelijk geweest om op microscopisch niveau een gedetailleerd beeld te krijgen van wat er in dergelijke situaties gebeurt vanuit een materiaalwetenschappelijk perspectief. "Dit betekent dat het nu mogelijk is om precies te begrijpen waarom bepaalde wiskundige benaderingen, zogenaamde perturbatieve methoden, leverde niet het juiste resultaat op, ' zegt Patrick Chalupa.

Dit nieuwe microscopische inzicht zou een ontbrekend stukje van de puzzel kunnen zijn voor het theoretische begrip van zogenaamde onconventionele supergeleiders. Dit zijn materialen op basis van ijzer, koper of nikkel dat onder bepaalde omstandigheden tot verbazingwekkend hoge temperaturen supergeleidend kan zijn. "Misschien zullen we eindelijk enkele van de essentiële vragen kunnen beantwoorden die onbeantwoord zijn gebleven sinds de ontdekking van deze mysterieuze materialen 40 jaar geleden, " hoopt Matthias Reitner.