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超导 为什么它必须如此冷

2019-07-09 16:16:49 来源:

目前,没有精确的计算方法来描述超导材料。科学家们现在在实现这一目标方面取得了重大进展,同时也进一步了解了为什么传统材料仅在-200°C左右变成超导体。为什么总是这么冷?我们现在知道一系列材料 - 在某些条件下 - 完全没有阻力地传导电流。我们把这种现象称为超导。尽管如此,所有这些材料仍然存在一个共同的问题:它们仅在极低的温度下才变成超导体。寻找理论计算方法来代表和理解这一事实已经持续了很多年。到目前为止,还没有人完全成功找到解决方案。然而,TU Wien现在开发了一种新方法,可以更好地理解超导。

“实际上,令人惊讶的是超导仅发生在极低的温度下,”TU Wien固态物理研究所的Karsten Held教授说。“当你考虑超导中涉及的电子所释放的能量时,你实际上也会期望在更高的温度下实现超导。”

为了应对这一难题,他和他的团队着手寻找一种更好的理论上代表超导的方法。Motoharu Kitatani博士是新出版物的主要作者,该出版物带来了重大改进,使人们能够更深入地了解高温超导性。

通过像斯诺克台球上的球一样明显的轨迹,想象材料中的电子就像微小的球体一样,无法理解超导。解释超导的唯一方法是应用量子物理定律。“问题在于,许多粒子都同时涉及超导现象,”Held解释道。“这使得计算极其复杂。”

材料中的各个电子不能被视为彼此独立的物体;他们需要一起对待。然而,这项任务非常复杂,即使使用世界上最大的计算机,也无法准确地解决它。

“然而,有各种近似方法可以帮助我们表示电子之间复杂的量子相关性,”Held表示。其中之一是“动态平均场理论”,对于计算电子之间的量子相关特别困难的情况是理想的。

TU Wien的研究小组现在正在对现有理论进行补充,该理论依赖于新的“费曼图”计算。费曼图 - 由诺贝尔奖得主理查德费曼设计 - 是一种表示粒子之间相互作用的方式。所有可能的相互作用 - 例如粒子碰撞时,以及粒子的发射或吸收 - 都在图表中表示,可用于进行非常精确的计算。

费曼开发了这种方法用于研究真空中的单个粒子,但它也可用于描述固体物体中粒子之间的复杂相互作用。固态物理学的问题在于你需要允许大量的费曼图,因为电子之间的相互作用非常强烈。“在Toschi教授和我自己开发的方法中,我们不再仅仅使用Feynman图来描绘相互作用,而是使用复杂的,时间相关的顶点作为组件,”Held解释说。“这个顶点本身由无数的费曼图组成,但是使用一个聪明的技巧,它仍然可以用于超级计算机上的计算。”

这创造了动态平均场理论的扩展形式,使得能够很好地近似计算粒子的复杂量子相互作用。“在物理学方面令人兴奋的是,我们可以证明它实际上是顶点的时间依赖性,这意味着超导只能在低温下进行。”经过大量艰苦的侦探工作,Motoharu Kitatani和Held教授甚至能够识别出正统的Feynman图表,该图表显示了为什么常规材料仅在-200°C而非室温下变为超导。

结合目前在由Barisic教授领导的工作组中的固态物理研究所进行的实验,新方法应该对更好地理解超导能做出重大贡献,从而能够开发出更好的超导材料。识别在室温下也是超导的材料将是一个巨大的突破,并将实现一系列革命性的技术创新。

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