Material kan anta helt olika egenskaper beroende på temperatur, tryck, elektrisk spänning eller andra fysiska storheter. I teoretisk fast tillståndsfysik, toppmoderna datormodeller används för att förstå dessa egenskaper i detalj. Ibland fungerar det bra, men ibland uppstår märkliga effekter som fortfarande verkar förbryllande – som fenomen kopplade till högtemperatursupraledning.

Några år sedan, forskare vid TU Wien kunde redan matematiskt klargöra var gränsen går mellan området som följer de kända reglerna och området där ovanliga effekter spelar en viktig roll. Nu, med hjälp av komplexa beräkningar på superdatorer, det har för första gången varit möjligt att förklara exakt vad som händer när denna gräns passeras:Repulsionen mellan elektronerna motverkas plötsligt av en ytterligare attraktionskraft som möjliggör helt kontraintuitiva effekter.

På samma sätt som vattenmolekyler kombineras för att bilda droppar, elektronerna kan då mötas vid vissa punkter, som om de delvis höll ihop. Resultaten, som erhölls i ett internationellt samarbete mellan TU Wien, universitetet i Würzburg, University of L'Aquila och Georgetown University i Washington D.C., har nu publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Mot oändligheten och vidare

"Elektroner är negativt laddade, de stöter bort varandra. Därför, elektroner som rör sig genom materialet sprids av andra elektroner, " säger professor Alessandro Toschi från Institute of Solid State Physics vid TU Wien. "Men, denna spridning är inte alltid lika stark. Det är möjligt att repulsionen mellan elektronerna avskärmas i materialet. Detta beror på många faktorer, såsom materialets kemiska sammansättning. "

Exakt vid gränsen där ovanliga effekter börjar dyka upp, spridningsprocesserna mellan elektronerna blir teoretiskt oändligt starka på grund av bristen på screening. Detta är känt som "divergens" - och dessa skillnader utgör en stor utmaning för forskning. "Under en lång tid, Det var en mycket kontroversiell diskussion:Har dessa skillnader verkligen en verklig fysisk betydelse?" säger Patrick Chalupa, som forskar om detta problem som en del av sin avhandling i Alessandro Toschis grupp. "Vi kunde svara på denna fråga:Ja, dessa skillnader är inte bara en matematisk kuriosa, men nyckeln till en bättre förståelse av viktiga materiella effekter, säger Matthias Reitner, som skrev sin masteruppsats om detta ämne.

Om du närmar dig den matematiska gränsen, avstötningen blir starkare och starkare. Vid gränsen, motsvarande spridning mellan elektronerna blir oändligt stor, men om du passerar gränsen, något överraskande händer:Avstötningen orsakar plötsligt en ytterligare attraktion. Denna effektiva attraktion tvingar elektronerna att samlas vid vissa punkter i ett begränsat utrymme, som om de delvis höll ihop. Denna drastiska förändring i beteende är nära relaterad till förekomsten av divergenserna.

Fasövergång, liknar vattenånga

"Resultatet är en situation som påminner om flytande vatten och vattenånga, " säger Alessandro Toschi, "under vissa förhållanden finns det en attraktion mellan vattenmolekylerna. De binder samman och skapar en blandning av vätskedroppar och gasformig ånga. ursprunget till denna attraktion är helt olika i de två fallen."

För första gången, det har varit möjligt att få en detaljerad bild av vad som händer i sådana situationer ur ett materialvetenskapligt perspektiv på mikroskopisk nivå. "Detta betyder att det nu är möjligt att förstå exakt varför vissa matematiska metoder, så kallade störande metoder, inte gav rätt resultat, säger Patrick Chalupa.

Denna nya mikroskopiska insikt kan vara en saknad pusselbit för den teoretiska förståelsen av så kallade okonventionella supraledare. Dessa är material baserade på järn, koppar eller nickel som kan vara supraledande under vissa förhållanden upp till otroligt höga temperaturer. "Kanske kommer vi äntligen att kunna svara på några av de väsentliga frågorna som har förblivit obesvarade sedan upptäckten av dessa mystiska material för 40 år sedan, " hoppas Matthias Reitner.