超导对低温的执念,究竟源自何处?

IEEE电气电子工程师学会 2019-02-28 20:34

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在温度非常低的条件下,有一些材料可以毫无阻碍地传导电流,这就是所谓的超导现象。然而,所有这些材料都面临着一个共同的问题:只有在极低的温度下,它们才会转变成超导体


为什么要在极低的温度下才会出现超导现象呢?多年以来,物理学家一直在努力寻找理论计算方法来表述和理解这一事实。但是还没有人完全成功地找到解决办法。最近,维也纳工业大学的研究人员发展了一种新的理论方法,使得我们能够更好地理解超导性。


1. 众多的粒子,复杂的计算


维也纳工业大学固体物理研究所的Karsten Held教授介绍说:“如果考虑到参与了超导的电子所释放的能量,我们会预期在更高的温度下也应该存在超导现象。因此,超导只发生在极低的温度下是一件令人惊讶的事情。”


为了解决这一难题,Held和他的团队开始寻找一种更好的方法来从理论上描述超导。


如果我们把材料中的电子想象成斯诺克桌上的球,而且每一个都沿着不同的轨迹运动,那么我们是不可能理解超导现象的。能够解释超导的唯一方法是应用量子物理学定律。Held解释说:“问题在于,许多粒子在同一时间参与到了超导现象中,这就使得计算变得极其复杂。”


材料中的单个电子不能被认为是相互独立的物体,而是需要被当作整体一起考虑。因此这个任务就变得十分的复杂和棘手,即使是世界上最大的计算机也不可能准确地解决这个问题。


幸运的是,我们有各种各样的近似方法能帮助我们表示电子之间复杂的量子关联。其中一个方法被称为“动态平均场理论”,对于那些计算电子之间的量子关联极为困难的情况而言,这种是一种非常理想的方法。



○ Karsten Held(左)和 Motoharu Kitatani(右)。| 图片来源:TU WIEN


2. 更好地表示电子之间的相互作用


费曼设计出了费曼图来描述粒子间相互作用。无论是粒子碰撞,还是粒子的发射或吸收,所有可能的相互作用都可以用费曼图来表示并进行精确计算。


费曼发展出这种方法是为了用于研究真空中的单个粒子,但它也可以用来描述固体物质中粒子之间复杂的相互作用。只是在固体物理学中,电子之间的相互作用非常强,因此我们需要考虑大量的费曼图。


维也纳工业大学的研究小组在“动态平均场理论”的基础上提出了一种新的“费曼图”计算——动态顶点近似(dynamical vertex approximation)。他们不再仅仅使用费曼图来描述相互作用,还使用一种复杂的、与时间相关的顶点作为一个成分,这个顶点本身包含无数个费曼图,但通过一种巧妙的方法,就可以将它用在超级计算机上进行计算。


3 艰苦的侦探工作


这种方法创造了动态平均场理论的一种扩展形式,可以对粒子间复杂的量子相互作用作很好的近似。从物理角度来看,激动人心的研究结果事实上是——顶点的时间相关性意味着超导只有在低温下才有可能出现。经过大量艰苦的侦探工作,Held教授与论文的第一作者、博士生Motoharu Kitatani甚至识别出了那些表明常规材料为什么只有在-200°C(而不是室温下)时才能转变为超导态的正统的费曼图。


如果将这个方法与固体物理研究进行的实验结合,将有可能对更好地理解超导做出重大贡献,从而有助于开发更好的超导材料。发现在室温下同样具有超导性的材料将会是一个巨大的突破,它势必将推动一系列革命性的技术创新。


原文链接:

https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/126540/mystery


文章来源:原理。

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