Сверхпроводимость: почему нужны столь низкие температуры?

Сегодня известен целый ряд материалов, которые при определенных условиях проводят электрический ток совершенно без сопротивления. Это явление называется сверхпроводимостью. Тем не менее, для все этих материалов существует общая проблема: они становятся сверхпроводящими только при чрезвычайно низких температурах. Поиск теоретических вычислительных методов для представления и понимания этого факта ведется уже много лет. Пока еще никому не удалось найти решение. Однако в настоящее время Венский технический университет (TU Wien) разработал новый метод, который позволяет значительно лучше понять сверхпроводимость.

«На самом деле, удивительно, что сверхпроводимость возникает только при очень низких температурах, - говорит проф. Карстен Хельд (Karsten Held) из Института физики твердого тела в TU Wien. - Когда вы рассматриваете энергию, выделяемую электронами, участвующими в сверхпроводимости, вы фактически ожидаете, что сверхпроводимость будет возможна и при гораздо более высоких температурах».

Для решения этой загадки он и его команда занялись поиском лучшего метода теоретического представления сверхпроводимости.
Д-р Мотохару Китатани (Motoharu Kitatani) является ведущим автором новой публикации, которая предлагает значительные улучшения и позволяет более глубоко понять высокотемпературную сверхпроводимость.

Невозможно понять сверхпроводимость, представив, что электроны в материале похожи на крошечные сферы и следуют определенными траекториями, подобной шарам на столе для снукера. Единственный способ объяснить сверхпроводимость - это применить законы квантовой физики. «Проблема в том, что многие частицы вовлечены в явление сверхпроводимости одновременно, - объясняет проф. Хельд. - Это делает вычисления чрезвычайно сложными».

Отдельные электроны в материале не могут рассматриваться как объекты, которые не зависят друг от друга; они должны рассматриваться вместе. Но эта задача настолько сложна, что ее невозможно точно решить, даже используя самые большие компьютеры в мире.

«Однако существуют различные методы приближения, которые могут помочь нам представить сложные квантовые корреляции между электронами», - говорит проф. Хелд. Одной из них является теория динамического среднего поля, или метод самосогласованного поля, которая идеально подходит для ситуаций, когда вычисления квантовых корреляций между электронами является особенно трудными.

Исследовательская группа из TU Wien в настоящее время представляет дополнение к существующей теории, которая опирается на новый расчет диаграмм Фейнмана. Диаграммы Фейнмана, разработанные лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом, представляют собой графический способ представления взаимодействия между частицами. Все возможные взаимодействия - например, когда частицы сталкиваются, а также испускание или поглощение частиц, - представлены на диаграммах и могут использоваться для очень точных расчетов.

Фейнман разработал этот метод для использования при исследовании отдельных частиц в вакууме, однако он также может быть использован для изображения сложных взаимодействий между частицами в твердых телах. Проблема в физике твердого тела состоит в том, что вам нужно учитывать огромное количество диаграмм Фейнмана, потому что взаимодействие между электронами очень интенсивно. «В методе, разработанном профессором Тоши (Toschi) и мной, мы больше не используем диаграммы Фейнмана исключительно для изображения взаимодействий, но также используем комплексную, зависящую от времени вершину в качестве компонента, - объясняет проф. Хельд. - Эта вершина сама состоит из бесконечного числа диаграмм Фейнмана, но с помощью хитроумного приема она все еще может использоваться для вычислений на суперкомпьютере».

Это создало расширенную форму динамической теории среднего поля, которая позволяет рассчитать хорошее приближение сложного квантового взаимодействия частиц. «Захватывающая вещь с точки зрения физики состоит в том, что мы можем показать, что на самом деле означает зависимость вершины от времени, что сверхпроводимость возможна только при низких температурах». После большой кропотливой исследовательской работы д-р Мотохару Китатани и проф. Хельд даже смогли определить диаграмму Фейнмана для ортодоксальной квантовой теории, которая показывает, почему обычные материалы становятся сверхпроводящими только при -200 ° C, а не при комнатной температуре.

В сочетании с экспериментами, проводимыми в настоящее время в Институте физики твердого тела рабочей группой, возглавляемой проф. Баришичем (Barisic), новый метод должен внести значительный вклад в лучшее понимание сверхпроводимости и, таким образом, дать возможность разработки еще лучших сверхпроводящих материалов. Определение материала, который также является сверхпроводящим при комнатной температуре, было бы огромным прорывом и позволило бы провести целый ряд революционных технологических инноваций.