För närvarande, det finns ingen exakt beräkningsmetod för att beskriva supraledande material. TU Wien har nu gjort stora framsteg för att uppnå detta mål och, på samma gång, har ökat förståelsen för varför konventionella material först blir supraledande vid cirka -200°C

Varför måste det alltid vara så kallt? Vi känner nu till en hel rad material som – under vissa förutsättningar – leder elektrisk ström helt utan motstånd. Vi kallar detta fenomen för superledning. Alla dessa material upplever ändå ett vanligt problem:de blir bara supraledande vid extremt låga temperaturer. Sökandet efter att hitta teoretiska beräkningsmetoder för att representera och förstå detta faktum har pågått i många år. Hittills, ingen har helt lyckats hitta lösningen. Dock, TU Wien har nu utvecklat en ny metod som möjliggör en betydligt bättre förståelse av supraledning.

Många partiklar, komplex beräkning

"Faktiskt, det är förvånande att supraledning endast sker vid extremt låga temperaturer, " säger professor Karsten Held vid Institutet för fasta tillståndets fysik vid TU Wien. "När man tänker på energin som frigörs av elektronerna som är involverade i supraledning, du skulle faktiskt förvänta dig att supraledning också skulle vara möjlig vid mycket högre temperaturer."

Som svar på denna gåta, han och hans team började leta efter en bättre metod för att representera supraledning teoretiskt. Dr. Motoharu Kitatani är huvudförfattare till en ny publikation som för fram betydande förbättringar och möjliggör en mer djupgående förståelse av högtemperatursupraledning.

Det är inte möjligt att förstå supraledning genom att föreställa sig elektronerna i materialet som små sfärer som följer en distinkt bana som bollar på ett snookerbord. Det enda sättet du kan förklara supraledning är genom att tillämpa kvantfysikens lagar. "Problemet är att många partiklar är involverade i fenomenet supraledning, alla på samma gång, " förklarar Held. "Detta gör beräkningarna extremt komplexa."

De enskilda elektronerna i materialet kan inte betraktas som objekt som är oberoende av varandra; de måste behandlas tillsammans. Ändå är denna uppgift så komplex att det inte skulle vara möjligt att lösa den exakt, även med de största datorerna i världen. "Dock, det finns olika approximationsmetoder som kan hjälpa oss att representera de komplexa kvantkorrelationerna mellan elektronerna, " enligt Held. En av dessa är den "dynamiska medelfältsteorin" som är idealisk för situationer där det är särskilt svårt att beräkna kvantkorrelationerna mellan elektronerna.

Förbättrad representation av interaktioner

Forskargruppen vid TU Wien presenterar nu ett tillägg till den befintliga teorin som bygger på en ny "Feynman diagram"-beräkning. Feynman-diagram – utarbetade av Nobelpristagaren Richard Feynman – är ett sätt att representera växelverkan mellan partiklar. Alla möjliga interaktioner – som när partiklar kolliderar, men även emission eller absorption av partiklar – representeras i diagram och kan användas för att göra mycket exakta beräkningar.

Feynman utvecklade denna metod för att studera enskilda partiklar i vakuum, men det kan också användas för att skildra komplexa interaktioner mellan partiklar i fasta föremål. Problemet i fasta tillståndets fysik är att du måste tillåta ett stort antal Feynman-diagram, eftersom interaktionen mellan elektronerna är så intensiv. "I en metod utvecklad av professor Toschi och mig själv, vi använder inte längre Feynman-diagrammen enbart för att avbilda interaktioner, men använd också ett komplex, tidsberoende vertex som en komponent, " förklarar Held. "Detta hörn i sig består av ett oändligt antal Feynman-diagram, men med ett smart knep, den kan fortfarande användas för beräkningar på en superdator."

Ett mödosamt detektivarbete

Detta har skapat en utökad form av den dynamiska medelfältsteorin som möjliggör en bra approximation av den komplexa kvantinteraktionen mellan partiklarna som ska beräknas. "Det spännande när det gäller fysik är att vi kan visa att det faktiskt är tidsberoendet hos vertexet som betyder att supraledning endast är möjlig vid låga temperaturer." Efter en hel del mödosamt detektivarbete, Motoharu Kitatani och professor Held kunde till och med identifiera det ortodoxa Feynman-diagrammet som visar varför konventionella material först blir supraledande vid -200°C och inte vid rumstemperatur.

I samband med experiment som för närvarande utförs vid Institute of Solid State Physics i en arbetsgrupp ledd av professor Barisic, den nya metoden bör ge ett betydande bidrag till en bättre förståelse av supraledning och på så sätt möjliggöra utvecklingen av ännu bättre supraledande material. Att identifiera ett material som också är supraledande vid rumstemperatur skulle vara ett stort genombrott, och skulle möjliggöra en hel rad revolutionerande tekniska innovationer.