超導(dǎo) 為什么它必須如此冷

目前，沒(méi)有精確的計(jì)算方法來(lái)描述超導(dǎo)材料?？茖W(xué)家們現(xiàn)在在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面取得了重大進(jìn)展，同時(shí)也進(jìn)一步了解了為什么傳統(tǒng)材料僅在-200°C左右變成超導(dǎo)體。為什么總是這么冷?我們現(xiàn)在知道一系列材料 - 在某些條件下 - 完全沒(méi)有阻力地傳導(dǎo)電流。我們把這種現(xiàn)象稱(chēng)為超導(dǎo)。盡管如此，所有這些材料仍然存在一個(gè)共同的問(wèn)題：它們僅在極低的溫度下才變成超導(dǎo)體。尋找理論計(jì)算方法來(lái)代表和理解這一事實(shí)已經(jīng)持續(xù)了很多年。到目前為止，還沒(méi)有人完全成功找到解決方案。然而，TU Wien現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一種新方法，可以更好地理解超導(dǎo)。

“實(shí)際上，令人驚訝的是超導(dǎo)僅發(fā)生在極低的溫度下，”TU Wien固態(tài)物理研究所的Karsten Held教授說(shuō)。“當(dāng)你考慮超導(dǎo)中涉及的電子所釋放的能量時(shí)，你實(shí)際上也會(huì)期望在更高的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。”

為了應(yīng)對(duì)這一難題，他和他的團(tuán)隊(duì)著手尋找一種更好的理論上代表超導(dǎo)的方法。Motoharu Kitatani博士是新出版物的主要作者，該出版物帶來(lái)了重大改進(jìn)，使人們能夠更深入地了解高溫超導(dǎo)性。

通過(guò)像斯諾克臺(tái)球上的球一樣明顯的軌跡，想象材料中的電子就像微小的球體一樣，無(wú)法理解超導(dǎo)。解釋超導(dǎo)的唯一方法是應(yīng)用量子物理定律。“問(wèn)題在于，許多粒子都同時(shí)涉及超導(dǎo)現(xiàn)象，”Held解釋道。“這使得計(jì)算極其復(fù)雜。”

材料中的各個(gè)電子不能被視為彼此獨(dú)立的物體;他們需要一起對(duì)待。然而，這項(xiàng)任務(wù)非常復(fù)雜，即使使用世界上最大的計(jì)算機(jī)，也無(wú)法準(zhǔn)確地解決它。

“然而，有各種近似方法可以幫助我們表示電子之間復(fù)雜的量子相關(guān)性，”Held表示。其中之一是“動(dòng)態(tài)平均場(chǎng)理論”，對(duì)于計(jì)算電子之間的量子相關(guān)特別困難的情況是理想的。

TU Wien的研究小組現(xiàn)在正在對(duì)現(xiàn)有理論進(jìn)行補(bǔ)充，該理論依賴(lài)于新的“費(fèi)曼圖”計(jì)算。費(fèi)曼圖 - 由諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德費(fèi)曼設(shè)計(jì) - 是一種表示粒子之間相互作用的方式。所有可能的相互作用 - 例如粒子碰撞時(shí)，以及粒子的發(fā)射或吸收 - 都在圖表中表示，可用于進(jìn)行非常精確的計(jì)算。

費(fèi)曼開(kāi)發(fā)了這種方法用于研究真空中的單個(gè)粒子，但它也可用于描述固體物體中粒子之間的復(fù)雜相互作用。固態(tài)物理學(xué)的問(wèn)題在于你需要允許大量的費(fèi)曼圖，因?yàn)殡娮又g的相互作用非常強(qiáng)烈。“在Toschi教授和我自己開(kāi)發(fā)的方法中，我們不再僅僅使用Feynman圖來(lái)描繪相互作用，而是使用復(fù)雜的，時(shí)間相關(guān)的頂點(diǎn)作為組件，”Held解釋說(shuō)。“這個(gè)頂點(diǎn)本身由無(wú)數(shù)的費(fèi)曼圖組成，但是使用一個(gè)聰明的技巧，它仍然可以用于超級(jí)計(jì)算機(jī)上的計(jì)算。”

這創(chuàng)造了動(dòng)態(tài)平均場(chǎng)理論的擴(kuò)展形式，使得能夠很好地近似計(jì)算粒子的復(fù)雜量子相互作用。“在物理學(xué)方面令人興奮的是，我們可以證明它實(shí)際上是頂點(diǎn)的時(shí)間依賴(lài)性，這意味著超導(dǎo)只能在低溫下進(jìn)行。”經(jīng)過(guò)大量艱苦的偵探工作，Motoharu Kitatani和Held教授甚至能夠識(shí)別出正統(tǒng)的Feynman圖表，該圖表顯示了為什么常規(guī)材料僅在-200°C而非室溫下變?yōu)槌瑢?dǎo)。

結(jié)合目前在由Barisic教授領(lǐng)導(dǎo)的工作組中的固態(tài)物理研究所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，新方法應(yīng)該對(duì)更好地理解超導(dǎo)能做出重大貢獻(xiàn)，從而能夠開(kāi)發(fā)出更好的超導(dǎo)材料。識(shí)別在室溫下也是超導(dǎo)的材料將是一個(gè)巨大的突破，并將實(shí)現(xiàn)一系列革命性的技術(shù)創(chuàng)新。