Les matériaux peuvent prendre des propriétés complètement différentes selon la température, pression, tension électrique ou d'autres grandeurs physiques. En physique théorique du solide, des modèles informatiques de pointe sont utilisés pour comprendre ces propriétés en détail. Parfois ça marche bien, mais il se produit parfois des effets étranges qui semblent encore déroutants, comme des phénomènes liés à la supraconductivité à haute température.

Il y a quelques années, Les scientifiques de la TU Wien étaient déjà capables de clarifier mathématiquement où se situe la frontière entre la zone qui suit les règles connues et la zone où les effets inhabituels jouent un rôle important. Maintenant, à l'aide de calculs complexes sur supercalculateurs, il a été possible pour la première fois d'expliquer exactement ce qui se passe lorsque cette frontière est franchie :la répulsion entre les électrons est soudainement contrecarrée par une force d'attraction supplémentaire qui permet des effets complètement contre-intuitifs.

Semblable à la façon dont les molécules d'eau se combinent pour former des gouttelettes, les électrons peuvent alors se regrouper en certains points, comme s'ils étaient partiellement collés ensemble. Les résultats, qui ont été obtenus dans une coopération internationale entre TU Wien, l'Université de Wurtzbourg, l'Université de L'Aquila et l'Université de Georgetown à Washington D.C., ont maintenant été publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Vers l'infini et au-delà

"Les électrons sont chargés négativement, ils se repoussent. Par conséquent, les électrons qui se déplacent à travers le matériau sont diffusés par d'autres électrons, " explique le professeur Alessandro Toschi de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. " Cependant, cette diffusion n'est pas toujours aussi forte. Il est possible que la répulsion entre les électrons soit masquée dans le matériau. Cela dépend de nombreux facteurs, comme la composition chimique du matériau."

Exactement à la limite où des effets inhabituels commencent à apparaître, les processus de diffusion entre les électrons deviennent théoriquement infiniment forts en raison de l'absence de blindage. C'est ce qu'on appelle la « divergence », et ces divergences constituent un grand défi pour la recherche. "Pendant longtemps, il y a eu une discussion très controversée :ces divergences ont-elles réellement un sens physique ?" dit Patrick Chalupa, qui étudie ce problème dans le cadre de sa thèse dans le groupe d'Alessandro Toschi. « Nous avons pu répondre à cette question :Oui, ces divergences ne sont pas qu'une curiosité mathématique, mais la clé d'une meilleure compréhension des effets matériels importants, " dit Matthias Reitner, qui a rédigé son mémoire de maîtrise sur ce sujet.

Si vous approchez de la limite mathématique, la répulsion devient de plus en plus forte. A la limite, la diffusion correspondante entre les électrons devient infiniment grande, mais si tu dépasses la limite, quelque chose de surprenant se produit :la répulsion provoque soudainement une attirance supplémentaire. Cette attraction efficace force les électrons à se rassembler en certains points dans un espace confiné, comme s'ils étaient partiellement collés ensemble. Ce changement radical de comportement est étroitement lié à l'apparition des divergences.

Transition de phase, semblable à la vapeur d'eau

"Le résultat est une situation qui rappelle l'eau liquide et la vapeur d'eau, " dit Alessandro Toschi, « Dans certaines conditions, il y a une attraction entre les molécules d'eau. Elles se lient et créent un mélange de gouttelettes liquides et de vapeur gazeuse. Cependant, l'origine de cette attraction est complètement différente dans les deux cas."

Pour la première fois, il a été possible d'obtenir une image détaillée de ce qui se passe dans de telles situations du point de vue de la science des matériaux à un niveau microscopique. « Cela signifie qu'il est maintenant possible de comprendre exactement pourquoi certaines approches mathématiques, méthodes dites perturbatives, n'a pas produit le bon résultat, ", explique Patrick Chalupa.

Cette nouvelle compréhension microscopique pourrait être une pièce manquante du puzzle pour la compréhension théorique des supraconducteurs dits non conventionnels. Ce sont des matériaux à base de fer, du cuivre ou du nickel qui peuvent être supraconducteurs dans certaines conditions jusqu'à des températures étonnamment élevées. "Peut-être pourrons-nous enfin répondre à certaines des questions essentielles restées sans réponse depuis la découverte de ces matériaux mystérieux il y a 40 ans, " espère Matthias Reitner.