Numeriske simuleringer afslører ladninger i materialer, der bliver superledende ved høje temperaturer

Forestil dig telefoner og bærbare computere, der aldrig bliver varme eller strømnettet, der aldrig mister energi. Dette er drømmen for forskere, der arbejder med såkaldte høj temperatur superledere, som ubesværet kan bære elektriske strømme uden modstand. De første superledende materialer ved høj temperatur, kaldet cuprates, blev opdaget i 1980'erne og ville senere blive genstand for en nobelpris. Udtrykket "høj temperatur" er relativt-disse materialer fungerer ved frostige temperaturer på op til minus 135 grader Celsius, lidt højere end deres traditionelle kolleger, som arbejder ved endnu koldere temperaturer nær absolut nul (minus 273 grader Celsius).

På trods af at superledere ved høj temperatur blev opdaget for tre årtier siden, forskere klør stadig i hovedet over, hvordan materialerne fungerer. Forskere ved, at svaret er relateret til elektroner, der hænger sammen i par, som limet sammen, men arten af ​​elektronens "lim", der binder dem, er ukendt. At lokalisere limen kan i sidste ende føre til oprettelse af rumledende superledende materialer og bane vejen for energibesparende computere og en lang række andre innovationer, såsom svævende tog.

Caltechs Granat Chan, Bren professor i kemi, forsøger at knække problemet med en lidt anden tilgang:kvantekemi. Han og hans kolleger udvikler numeriske simuleringer, der, ved hjælp af kvantemekanikkens ligninger, kortlægge elektroners flydende bevægelser i forskellige materialer. I et nyt papir i tidsskriftet Videnskab , de har vist, at superledende materialer ved høj temperatur beordrer sig selv til et stribet ladningsmønster-hvad Chan og kolleger kalder "ladninger"-lige før de bliver superledende. Ved at udføre utroligt præcise numeriske simuleringer, Chan og hans samarbejdspartnere var i stand til at udelukke alle de andre kandidatmønstre for anklager til fordel for den stribede stat.

De undersøgte yderligere, hvad der sker, når striberne presses sammen, et scenario, der sandsynligvis vil opstå på grund af de naturlige udsving i mønstrene, og fandt ud af, at elektronerne spontant parrede sig. Med andre ord, ladningsfloderne er tæt forbundet med den længe eftersøgte elektronlim. Dette fund udgør et betydeligt fingerpeg i løbet om at løse problemet med høj temperatur superledelse.

”Jeg kan godt lide problemer, som folk har slået hovedet på i årtier, og jeg tror, ​​at mange forskere er enige om, at superledning ved høj temperatur sandsynligvis er et af de mest forvirrende fænomener, der observeres i materialer, "siger Chan." Selvom muligheden for stribet adfærd tidligere var blevet rejst, det var kun et blandt et væld af kandidatkonkurrerende mønstre. Desuden, folk anede ikke, om sådanne striber var gode til superledningsevne eller faktisk dræbte den superledende tilstand. Vores resultater viser ikke kun, at striber er ægte, men at de har en intim forbindelse til, hvordan superledelse opstår. "

I den nye undersøgelse, Chan og samarbejdspartnere på flere institutioner brugte fire meget forskellige typer numeriske metoder til at simulere højtemperatur superledende materialer. Generelt, forskere beskriver disse materialer ved hjælp af Hubbard -modellen, en matematisk model udviklet i 1960'erne, der forklarer elektronisk adfærd for mange materialer-især dem, der udviser høj temperatur superledning. Selvom Hubbard -modellens ligninger er relativt enkle, at løse dem for elektronernes adfærd kræver computerkraft. Det var her, de nye numeriske metoder hjalp:de forudsagde, hvordan elektronerne er organiseret i materialerne med forbedret præcision, og de viste, at ladningerne spontant organiserede sig i de stribede mønstre.

"Vi har leveret en endelig numerisk løsning til en af ​​de vigtigste modeller inden for kondenseret fysik, som har stærke forbindelser med høj temperatur superledning, "siger Bo-Xiao Zheng, hovedforfatter af undersøgelsen og tidligere ph.d. -studerende ved Caltech og Princeton. "Hvad mere er, vi brugte fire uafhængige numeriske simuleringer til at komme til den samme konklusion-en nødvendig krydstjek givet den komplekse adfærd, der er mulig i disse materialer. "

"Dette sætter en vigtig brik i puslespillet om, hvordan høj temperatur superledere fungerer, "siger Chan." Til gengæld Dette giver optimisme om, at en fuld forståelse en dag vil være mulig. "