Actuellement, il n'existe pas de méthode de calcul précise pour décrire les matériaux supraconducteurs. TU Wien a maintenant fait une avancée majeure vers la réalisation de cet objectif et, à la fois, a permis de mieux comprendre pourquoi les matériaux conventionnels ne deviennent supraconducteurs qu'à environ -200°C

Pourquoi doit-il toujours faire si froid ? On connaît aujourd'hui toute une gamme de matériaux qui – dans certaines conditions – conduisent le courant électrique sans aucune résistance. Nous appelons ce phénomène la supraconduction. Tous ces matériaux connaissent néanmoins un problème commun :ils ne deviennent supraconducteurs qu'à des températures extrêmement basses. La recherche de méthodes de calcul théoriques pour représenter et comprendre ce fait se poursuit depuis de nombreuses années. Jusqu'à présent, personne n'a pleinement réussi à trouver la solution. Cependant, TU Wien a maintenant développé une nouvelle méthode qui permet une meilleure compréhension de la supraconduction.

De nombreuses particules, calcul complexe

"Réellement, il est surprenant que la supraconduction ne se produise qu'à des températures extrêmement basses, " déclare le professeur Karsten Held de l'Institute of Solid State Physics de la TU Wien. " Lorsque vous considérez l'énergie libérée par les électrons impliqués dans la supraconduction, vous vous attendriez en fait à ce que la supraconduction soit également possible à des températures beaucoup plus élevées."

En réponse à cette énigme, lui et son équipe se sont mis à chercher une meilleure méthode de représentation théorique de la supraconduction. Le Dr Motoharu Kitatani est l'auteur principal d'une nouvelle publication qui propose des améliorations significatives et permet une compréhension plus approfondie de la supraconductivité à haute température.

Il n'est pas possible de comprendre la supraconduction en imaginant les électrons dans le matériau comme de minuscules sphères suivant une trajectoire distincte comme des boules sur une table de billard. La seule façon d'expliquer la supraconduction est d'appliquer les lois de la physique quantique. "Le problème est que de nombreuses particules sont impliquées dans le phénomène de supraconduction, Tout en même temps, " explique Held. " Cela rend les calculs extrêmement complexes. "

Les électrons individuels dans le matériau ne peuvent pas être considérés comme des objets indépendants les uns des autres; ils doivent être traités ensemble. Pourtant, cette tâche est si complexe qu'il ne serait pas possible de la résoudre avec précision, même en utilisant les plus gros ordinateurs du monde. "Toutefois, il existe différentes méthodes d'approximation qui peuvent nous aider à représenter les corrélations quantiques complexes entre les électrons, " selon Held. L'une d'entre elles est la "théorie du champ moyen dynamique" qui est idéale pour les situations où le calcul des corrélations quantiques entre les électrons est particulièrement difficile.

Meilleure représentation des interactions

Le groupe de recherche de la TU Wien présente maintenant un ajout à la théorie existante qui repose sur un nouveau calcul de « diagramme de Feynman ». Les diagrammes de Feynman – conçus par le prix Nobel Richard Feynman – sont un moyen de représenter les interactions entre les particules. Toutes les interactions possibles - comme lorsque des particules entrent en collision, mais aussi l'émission ou l'absorption de particules – sont représentées sous forme de diagrammes et permettent de faire des calculs très précis.

Feynman a développé cette méthode pour l'étude des particules individuelles dans le vide, Cependant, il peut également être utilisé pour décrire des interactions complexes entre des particules dans des objets solides. Le problème en physique du solide est qu'il faut autoriser un grand nombre de diagrammes de Feynman, parce que l'interaction entre les électrons est si intense. "Dans une méthode développée par le professeur Toschi et moi-même, nous n'utilisons plus les diagrammes de Feynman uniquement pour représenter les interactions, mais aussi utiliser un complexe, sommet dépendant du temps en tant que composant, " explique Held. " Ce sommet lui-même se compose d'un nombre infini de diagrammes de Feynman, mais en utilisant une astuce astucieuse, il peut toujours être utilisé pour des calculs sur un supercalculateur."

Un travail de détective minutieux

Cela a créé une forme étendue de la théorie dynamique du champ moyen qui permet de calculer une bonne approximation de l'interaction quantique complexe des particules. "Ce qui est passionnant en termes de physique, c'est que nous pouvons montrer que c'est en fait la dépendance temporelle du sommet qui signifie que la supraconduction n'est possible qu'à basse température." Après un travail de détective minutieux, Motoharu Kitatani et le professeur Held ont même pu identifier le diagramme orthodoxe de Feynman qui montre pourquoi les matériaux conventionnels ne deviennent supraconducteurs qu'à -200°C et non à température ambiante.

En lien avec les expériences en cours à l'Institut de Physique du Solide dans un groupe de travail dirigé par le Professeur Barisic, la nouvelle méthode devrait apporter une contribution significative à une meilleure compréhension de la supraconduction et ainsi permettre le développement de matériaux supraconducteurs encore meilleurs. Identifier un matériau qui est également supraconducteur à température ambiante serait une énorme avancée, et permettrait toute une série d'innovations technologiques révolutionnaires.