Attualmente, non esiste un metodo di calcolo preciso per descrivere i materiali superconduttori. TU Wien ha ora compiuto un importante passo avanti verso il raggiungimento di questo obiettivo e, allo stesso tempo, ha approfondito la comprensione del motivo per cui i materiali convenzionali diventano superconduttori solo a circa -200°C

Perché deve essere sempre così freddo? Ora conosciamo un'intera gamma di materiali che, in determinate condizioni, conducono la corrente elettrica completamente senza resistenza. Chiamiamo questo fenomeno superconduzione. Tutti questi materiali hanno tuttavia un problema comune:diventano superconduttori solo a temperature estremamente basse. La ricerca per trovare metodi computazionali teorici per rappresentare e comprendere questo fatto va avanti da molti anni. Finora, nessuno è riuscito completamente a trovare la soluzione. Però, TU Wien ha ora sviluppato un nuovo metodo che consente una comprensione significativamente migliore della superconduzione.

Molte particelle, calcolo complesso

"In realtà, è sorprendente che la superconduzione avvenga solo a temperature estremamente basse, " afferma il professor Karsten Held dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. "Se si considera l'energia rilasciata dagli elettroni coinvolti nella superconduzione, in realtà ti aspetteresti che la superconduzione sia possibile anche a temperature molto più elevate."

In risposta a questo enigma, lui e il suo team hanno iniziato a cercare un metodo migliore per rappresentare teoricamente la superconduzione. Il Dr. Motoharu Kitatani è l'autore principale di una nuova pubblicazione che porta avanti miglioramenti significativi e consente una comprensione più approfondita della superconduttività ad alta temperatura.

Non è possibile comprendere la superconduzione immaginando gli elettroni nel materiale come minuscole sfere che seguono una traiettoria distinta come palline su un tavolo da biliardo. L'unico modo per spiegare la superconduzione è applicare le leggi della fisica quantistica. "Il problema è che molte particelle sono coinvolte nel fenomeno della superconduzione, tutto allo stesso tempo, " spiega Held. "Questo rende i calcoli estremamente complessi."

I singoli elettroni nel materiale non possono essere considerati come oggetti indipendenti l'uno dall'altro; devono essere trattati insieme. Eppure questo compito è così complesso che non sarebbe possibile risolverlo con precisione, anche utilizzando i computer più grandi del mondo. "Però, esistono vari metodi di approssimazione che possono aiutarci a rappresentare le complesse correlazioni quantistiche tra gli elettroni, " secondo Held. Uno di questi è la "teoria del campo medio dinamico" che è ideale per situazioni in cui il calcolo delle correlazioni quantistiche tra gli elettroni è particolarmente difficile.

Rappresentazione migliorata delle interazioni

Il gruppo di ricerca della TU Wien presenta ora un'aggiunta alla teoria esistente che si basa su un nuovo calcolo del "diagramma di Feynman". I diagrammi di Feynman, ideati dal premio Nobel Richard Feynman, sono un modo per rappresentare le interazioni tra le particelle. Tutte le possibili interazioni, come quando le particelle si scontrano, ma anche l'emissione o l'assorbimento di particelle – sono rappresentati in diagrammi e possono essere usati per fare calcoli molto precisi.

Feynman ha sviluppato questo metodo per lo studio di singole particelle nel vuoto, tuttavia può anche essere usato per rappresentare interazioni complesse tra particelle in oggetti solidi. Il problema nella fisica dello stato solido è che è necessario consentire un numero enorme di diagrammi di Feynman, perché l'interazione tra gli elettroni è così intensa. "In un metodo sviluppato dal professor Toschi e da me, non usiamo più i diagrammi di Feynman esclusivamente per rappresentare le interazioni, ma usa anche un complesso, vertice dipendente dal tempo come componente, " spiega Held. "Questo vertice stesso è costituito da un numero infinito di diagrammi di Feynman, ma usando un trucco intelligente, può ancora essere utilizzato per i calcoli su un supercomputer."

Un accurato lavoro investigativo

Ciò ha creato una forma estesa della teoria del campo medio dinamico che consente di calcolare una buona approssimazione della complessa interazione quantistica delle particelle. "La cosa eccitante in termini di fisica è che possiamo dimostrare che in realtà è la dipendenza dal tempo del vertice che significa che la superconduzione è possibile solo a basse temperature". Dopo un lungo e scrupoloso lavoro investigativo, Motoharu Kitatani e il professor Held sono stati persino in grado di identificare il diagramma di Feynman ortodosso che mostra perché i materiali convenzionali diventano superconduttori solo a -200°C e non a temperatura ambiente.

In concomitanza con gli esperimenti attualmente in corso presso l'Istituto di Fisica dello Stato Solido in un gruppo di lavoro guidato dal Professor Barisic, il nuovo metodo dovrebbe dare un contributo significativo alla migliore comprensione della superconduzione e quindi consentire lo sviluppo di materiali superconduttori ancora migliori. Identificare un materiale che è anche superconduttore a temperatura ambiente sarebbe un enorme passo avanti, e consentirebbe tutta una serie di innovazioni tecnologiche rivoluzionarie.