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26. Mai 2019

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Kein Widerstand bei extremer Kälte

Kein Widerstand bei extremer Kälte©piqs.de/Emanuel Beier

An der TU Wien gelingt eine neue Rechenmethode zur besseren Beschreibung der Vorgänge bei supraleitenden Materialien, die Strom bei extremer Kälte ganz ohne Widerstand leiten.

Aktuelle sind eine ganze Reihe Materialien bekannt, die unter bestimmten Bedingungen wie extreme Kälte (Anm. minus 200 Grad Celsius) elektrischen Strom völlig ohne Widerstand leiten und dieses Phänomen wird als Supraleitung bezeichnet. Gemeinsame Problemstellung ist, dass all diese Materialien nur bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend werden. Seit vielen Jahren wird an theoretischen Rechenmodelle geforscht um diese Tatsache zu beschreiben und zu verstehen. An der TU Wien wurde nun eine neue Methode zum besseren Verständnis der Temperaturabhängigkeit von Supraleitern entwickelt.

Extrem komplizierte Ausgangsbasis
Supraleitung kann nicht verstanden werden, indem man sich die Elektronen im Material als kleine Kügelchen vorstellt, die einer eindeutigen Bahn folgen, wie Kugeln auf dem Billardtisch. Supraleitung lässt sich nur mit den Gesetzen der Quantenphysik erklären. „Das Problem daran ist, dass viele Teilchen gleichzeitig am Phänomen der Supraleitung beteiligt sind“, erläutert Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Dadurch werden die Berechnungen extrem kompliziert.“

Sehr aufwändige Rechenvorgänge
Die einzelnen Elektronen im Material können nicht als voneinander unabhängige Objekte betrachtet werden, sie müssen entsprechend gemeinsam beschrieben werden. Und das ist so komplex, dass die Aufgabe selbst mit den größten Computern der Welt nicht exakt lösbar ist. Eine Näherungsmethode zur Beschreibung dieser komplexen quantenphysikalischen Korrelationen zwischen den Elektronen ist die „Dynamical Mean-Field Theory“. Sie eignet sich besonders gut für Situationen, in denen die schwer zu berechnenden Quanten-Korrelationen zwischen den Elektronen sehr stark ausgeprägt sind.

Verbesserte Beschreibung der Wechselwirkung
Die Forschungsgruppe an der TU Wien präsentiert nun eine Erweiterung der bestehenden Theorie, die auf einer neuartigen Berechnung von sogenannten Feynman-Diagrammen beruht. Diese Diagramme sind eine Methode, die der Nobelpreisträger Richard Feynman eingeführt hat, um Wechselwirkungen zwischen Teilchen zu beschreiben. Alle möglichen Interaktionen, wie etwa Zusammenstöße von Teilchen, aber auch die Neuentstehung oder Absorption von Teilchen, werden dabei auf definierte Weise in Diagrammen aufgezeichnet und berechnet.

Neue Entwicklung für die Supercomputer
Feynman dachte hier an einzelne Teilchen im Vakuum, die Methode lässt sich aber auch für das komplexe Zusammenspiel der Teilchen in Festkörpern anwenden. In der Festkörperphysik müssen allerdings auf Grund der starken Wechselwirkung zwischen den Elektronen sehr viele Feynman-Diagramme berücksichtigt werden. „In einer von Alessandro Toschi und mir entwickelten Methode bauen wir nunmehr die Fenyman-Diagramme nicht mehr direkt aus Wechselwirkungen zusammen, sondern verwenden einen komplexen, zeitabhängigen Vertex als Baustein“, erklärt Karsten Held. „Dieser Vertex besteht bereits selbst aus unendlich vielen Feynman-Diagrammen, kann aber mit viel Aufwand immer noch auf einem Supercomputer berechnet werden.“

Aufwändige Forscherarbeit
Mit dieser neuen Methode entsteht eine erweiterte Form der „Dynamical Mean-Field-Theory“ und damit kann das komplexe quantenphysikalische Zusammenspiel der Teilchen in guter Näherung berechnet werden. „Wir konnten zeigen, dass es genau die Zeitabhängigkeit des Vertex ist, die dazu führt, dass Supraleitung nur bei tiefen Temperaturen möglich ist.“ Das Forscherteam konnte dabei in aufwändigen Prozessen auch das konventionelle Feynman-Diagramm identifizieren und das ist dafür verantwortlich, dass die gängigen Materialien nur bei -200°C und nicht bei Raumtemperatur supraleitend werden.

Möglicher Durchbruch für revolutionäre technologische Innovationen
Gemeinsam mit Experimenten, die derzeit ebenfalls am Institut für Festkörperphysik durchgeführt werden, soll die neue Methode maßgeblich dazu beizutragen, Supraleitung besser zu verstehen und somit noch bessere supraleitende Materialien zu entwickeln. Ein Material, das auch bei Raumtemperatur immer noch supraleitend bleibt, wäre ein gewaltiger Durchbruch, der eine ganze Palette an revolutionären technologischen Neuerungen ermöglichen würde.

Links

red/czaak, Economy Ausgabe Webartikel, 21.02.2019