超導對低溫的執念，究竟源自何處？

在溫度非常低的條件下，有一些材料可以毫無阻礙地傳導電流，這就是所謂的超導現象。然而，所有這些材料都面臨著一個共同的問題：只有在極低的溫度下，它們才會轉變成超導體。

為什麼要在極低的溫度下才會出現超導現象呢？多年以來，物理學家一直在努力尋找理論計算方法來表述和理解這一事實。但是還沒有人完全成功地找到解決辦法。最近，維也納工業大學的研究人員發展了一種新的理論方法，使得我們能夠更好地理解超導性。

1. 眾多的粒子，複雜的計算

維也納工業大學固體物理研究所的Karsten Held教授介紹說：「如果考慮到參與了超導的電子所釋放的能量，我們會預期在更高的溫度下也應該存在超導現象。因此，超導只發生在極低的溫度下是一件令人驚訝的事情。」

為了解決這一難題，Held和他的團隊開始尋找一種更好的方法來從理論上描述超導。

如果我們把材料中的電子想像成斯諾克桌上的球，而且每一個都沿著不同的軌跡運動，那麼我們是不可能理解超導現象的。能夠解釋超導的唯一方法是應用量子物理學定律。Held解釋說：「問題在於，許多粒子在同一時間參與到了超導現象中，這就使得計算變得極其複雜。」

材料中的單個電子不能被認為是相互獨立的物體，而是需要被當作整體一起考慮。因此這個任務就變得十分的複雜和棘手，即使是世界上最大的計算機也不可能準確地解決這個問題。

幸運的是，我們有各種各樣的近似方法能幫助我們表示電子之間複雜的量子關聯。其中一個方法被稱為「動態平均場理論」，對於那些計算電子之間的量子關聯極為困難的情況而言，這種是一種非常理想的方法。

Karsten Held（左）和 Motoharu Kitatani（右）。| 圖片來源：TU WIEN

2. 更好地表示電子之間的相互作用

費曼設計出了費曼圖來描述粒子間相互作用。無論是粒子碰撞，還是粒子的發射或吸收，所有可能的相互作用都可以用費曼圖來表示並進行精確計算。

費曼發展出這種方法是為了用於研究真空中的單個粒子，但它也可以用來描述固體物質中粒子之間複雜的相互作用。只是在固體物理學中，電子之間的相互作用非常強，因此我們需要考慮大量的費曼圖。

維也納工業大學的研究小組在「動態平均場理論」的基礎上提出了一種新的「費曼圖」計算——動態頂點近似（dynamical vertex approximation）。他們不再僅僅使用費曼圖來描述相互作用，還使用一種複雜的、與時間相關的頂點作為一個成分，這個頂點本身包含無數個費曼圖，但通過一種巧妙的方法，就可以將它用在超級計算機上進行計算。

3 艱苦的偵探工作

這種方法創造了動態平均場理論的一種擴展形式，可以對粒子間複雜的量子相互作用作很好的近似。從物理角度來看，激動人心的研究結果事實上是——頂點的時間相關性意味著超導只有在低溫下才有可能出現。經過大量艱苦的偵探工作，Held教授與論文的第一作者、博士生Motoharu Kitatani甚至識別出了那些表明常規材料為什麼只有在-200°C（而不是室溫下）時才能轉變為超導態的正統的費曼圖。

如果將這個方法與固體物理研究進行的實驗結合，將有可能對更好地理解超導做出重大貢獻，從而有助於開發更好的超導材料。發現在室溫下同樣具有超導性的材料將會是一個巨大的突破，它勢必將推動一系列革命性的技術創新。

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

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