低温与超导,超导对低温的执念，究竟源自何处？

在温度非常低的条件下，有一种材料可以毫无阻碍地流过电流，这被称为超导现象。 但是，这些材料都面临着共同的问题。只有在极低的温度下，它们才会转变成超导体

为什么在极低温下会发生超导现象呢？ 多年来，物理学家一直在寻找理论计算方法来表达和理解这个事实。 但是，没有人成功地完全找到了解决方案。 最近，维也纳工业大学的研究人员发展了新的理论方法，可以更好地理解超导性。

1 .很多粒子，复杂的计算

维也纳工业大学固体物理研究所的Karsten Held教授说：“考虑到参与超导的电子释放的能量，可以预测即使在更高的温度下也应该存在超导现象。 因此，超导只在极低的温度下发生是令人惊讶的。 ”

为了解决这个问题，Held和他的团队开始寻找更好的方法来从理论上解释超导。

如果我们把材料中的电子当成斯诺克桌子上的球，每个都沿着不同的轨迹运动，我们就无法理解超导现象。 唯一能解释超导的方法是量子物理学定律Held解释说：“问题是，许多粒子同时参与超导现象，使计算变得极其复杂。”

材料中的单个电子不能认为是相互独立的物体，需要作为整体一起考虑。 因此，这项任务变得非常复杂和棘手，即使是世界上最大的计算机也无法准确解决这个问题。

幸运的是，我们有各种近似方法来表示电子之间复杂的量子关联。 其中之一被称为“动态平均场理论，是计算电子间量子相关极其困难时的理想方法。

Karsten Held (左)和Motoharu Kitatani (右)。 |图片来源：土双赢

2 .更好地表征电子之间的相互作用

费曼设计了费曼图，记述了粒子之间的相互作用。 无论是粒子的碰撞，还是粒子的释放和吸收，都可以用精细图表示所有可能的相互作用，并进行正确的计算。

费曼开发该方法是为了研究真空中的单个粒子，但也可以用于描述固体物质中粒子之间的复杂相互作用。 但是，在固体物理学中，电子之间的相互作用非常强，所以有必要大量考虑费曼图。

维也纳工业大学研究小组基于“动态平均场理论”，提出了一种新的“精细图解”计算——动态顶点逼近(dynamical vertex approximation )。 他们不仅仅使用费曼图来表达相互作用，而是将复杂的时间相关的顶点作为一个成分来使用。 这个顶点本身包含无数个费曼图，可以用巧妙的方法在超级计算机上计算。

3艰苦的侦探工作

该方法创造了动态平均场理论的扩展形式，可以较好地逼近粒子间复杂的量子相互作用。 从物理上看，令人兴奋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了许多艰苦的侦探工作，Held教授和论文第一作者博士生Motoharu Kitatani发现，常规材料为什么不是室温而是-200C

如果将该方法与固体物理研究实验相结合，将有助于更好地理解超导，有可能有助于更好地开发超导材料。 室温下也具有超导性的材料是一个重大突破，这将推动一系列革命性的技术革新。

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