Несколько лет назад ученые из TU Wien уже смогли математически прояснить, где проходит граница между областью, которая следует известным правилам, и областью, где необычные эффекты играют важную роль. Теперь, с помощью сложных вычислений на суперкомпьютерах, впервые появилась возможность точно объяснить, что происходит, когда эта граница пересекается: отталкиванию между электронами внезапно противодействует дополнительная сила притяжения, которая дает совершенно противоречивые эффекты.
Подобно тому, как молекулы воды объединяются в капли, электроны могут затем собираться вместе в определенных точках, как если бы они частично слипались.
Результаты, полученные в результате международного сотрудничества между Венским университетом, Вюрцбургским университетом, Университетом Аквилы и Джорджтаунским университетом в Вашингтоне, округ Колумбия.C., были опубликованы в журнале Physical Review Letters."
Бесконечность не предел
«Электроны заряжены отрицательно, они отталкиваются друг от друга. Следовательно, электроны, движущиеся через материал, рассеиваются другими электронами », – говорит профессор.
Алессандро Тоски из Института физики твердого тела Венского технического университета. "Однако это рассеяние не всегда одинаково сильное. Возможно, что отталкивание электронов экранировано в материале. Это зависит от многих факторов, таких как химический состав материала."
Именно на той границе, где начинают проявляться необычные эффекты, процессы рассеяния между электронами становятся теоретически бесконечно сильными из-за отсутствия экранирования. Это известно как «расхождение» – и эти расхождения представляют собой серьезную проблему для исследований. "Долгое время шла очень спорная дискуссия: действительно ли эти расхождения имеют реальный физический смысл??"- говорит Патрик Чалупа, который исследует эту проблему в рамках своей диссертации в группе Алессандро Тоски. «Мы смогли ответить на этот вопрос: да, эти расхождения – не просто математическое любопытство, но и ключ к лучшему пониманию важных материальных эффектов», – говорит Матиас Рейтнер, который написал свою магистерскую диссертацию на эту тему.
Если приблизиться к математическому пределу, отталкивание становится все сильнее и сильнее. В пределе соответствующее рассеяние между электронами становится бесконечно большим, но если вы переступите предел, происходит нечто удивительное: отталкивание внезапно вызывает дополнительное притяжение.
Это эффективное притяжение заставляет электроны собираться в определенных точках ограниченного пространства, как если бы они частично слипались. Это резкое изменение поведения тесно связано с возникновением расхождений.
Фазовый переход, похожий на водяной пар
«В результате возникает ситуация, напоминающая жидкую воду и водяной пар, – говорит Алессандро Тоски, – при определенных условиях возникает притяжение между молекулами воды.
Они связываются вместе и создают смесь жидких капель и газообразного пара. Однако происхождение этого притяжения совершенно разное в двух случаях."
Впервые появилась возможность получить подробную картину того, что происходит в таких ситуациях, с точки зрения материаловедения на микроскопическом уровне. «Это означает, что теперь можно точно понять, почему определенные математические подходы, так называемые пертурбативные методы, не дали правильного результата», – говорит Патрик Чалупа.
Это новое микроскопическое открытие может оказаться недостающим кусочком головоломки для теоретического понимания так называемых нетрадиционных сверхпроводников.
Это материалы на основе железа, меди или никеля, которые могут быть сверхпроводящими при определенных условиях вплоть до чрезвычайно высоких температур. «Возможно, мы наконец-то сможем ответить на некоторые важные вопросы, которые остались без ответа с момента открытия этих загадочных материалов 40 лет назад», – надеется Маттиас Рейтнер.