Forskere finder endelig superledelse på plads, som de har ledt efter i årtier

Forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory siger, at de har fundet den første, længe søgt bevis på, at en årtier gammel videnskabelig model for materiel adfærd kan bruges til at simulere og forstå høj temperatur superledelse-et vigtigt skridt i retning af at producere og kontrollere dette forvirrende fænomen efter behag.

Simuleringerne de kørte, udgivet i Videnskab i dag, foreslår, at forskere muligvis kan tænde og slukke superledning i kobberbaserede materialer kaldet cuprates ved at tilpasse deres kemi, så elektroner hopper fra atom til atom i et bestemt mønster-som om de hopper til atomet diagonalt på tværs af gaden frem for til det ene næste dør.

"Den store ting, du vil vide, er, hvordan man får superledere til at fungere ved højere temperaturer, og hvordan man kan gøre superledning mere robust, "sagde studieforfatter Thomas Devereaux, direktør for Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) på SLAC. "Det handler om at finde de knapper, du kan dreje for at tippe balancen til din fordel."

Den største hindring for at gøre det, han sagde, har været manglen på en model - en matematisk fremstilling af, hvordan et system opfører sig - der beskriver denne type superledelse, hvis opdagelse i 1986 vakte håb om, at elektricitet en dag kunne overføres uden tab for perfekt effektive elledninger og maglev -tog.

Mens forskere troede Hubbard -modellen, brugt i årtier til at repræsentere elektronadfærd i mange materialer, kan gælde for cuprate høj temperatur superledere, indtil nu havde de intet bevis, sagde Hong-Chen Jiang, en SIMES-medarbejder og medforfatter af rapporten.

"Dette har været et stort uløst problem på området-beskriver Hubbard-modellen superledelsessupercuktivitet i koperne, eller mangler det en vigtig ingrediens? "sagde han." Fordi der er en række konkurrerende stater i disse materialer, vi er nødt til at stole på upartiske simuleringer for at besvare disse spørgsmål, men beregningsproblemerne er meget vanskelige, og derfor har fremskridtet været langsom. "

Kvantematerialers mange ansigter

Hvorfor så svært?

Selvom mange materialer opfører sig på meget forudsigelige måder - kobber er altid et metal, og når du sprænger en magnet, er bitene stadig magnetiske-høj-temperatur superledere er kvantematerialer, hvor elektroner samarbejder om at producere uventede egenskaber. I dette tilfælde, de parrer sig til at lede elektricitet uden modstand eller tab ved meget højere temperaturer, end etablerede teorier om superledning kan forklare.

I modsætning til dagligdags materialer, kvantematerialer kan være vært for en række faser, eller materielle tilstande, på en gang, Sagde Devereaux. For eksempel, et kvantemateriale kan være metallisk under et sæt betingelser, men isolerende under lidt forskellige forhold. Forskere kan tippe balancen mellem faser ved at pille ved materialets kemi eller måden dets elektroner bevæger sig rundt på, for eksempel, og målet er at gøre dette på en bevidst måde for at skabe nye materialer med nyttige egenskaber.

En af de mest kraftfulde algoritmer til modelleringssituationer som denne er kendt som tæthedsmatrix -renormaliseringsgruppe, eller DMRG. Men fordi disse sameksisterende faser er så komplekse, brug af DMRG til at simulere dem kræver meget beregningstid og hukommelse og tager typisk ret lang tid, Sagde Jiang.

For at reducere computertiden og nå et dybere analyseniveau, end det ville have været praktisk før, Jiang ledte efter måder at optimere detaljerne i simuleringen. "Vi skal omhyggeligt strømline hvert trin, " han sagde, "gøre det så effektivt som muligt og endda finde måder at gøre to separate ting på én gang." Disse effektiviteter tillod teamet at køre DMRG -simuleringer af Hubbard -modellen betydeligt hurtigere end før, med omkring et års computetid på Stanfords Sherlock computing cluster og andre faciliteter på SLAC -campus.

Hopper elektron naboer

Denne undersøgelse fokuserede på det sarte samspil mellem to faser, der vides at eksistere i cuprates-høj temperatur superledning og ladningsstriber, som er som et bølgemønster med højere og lavere elektrontæthed i materialet. Forholdet mellem disse stater er ikke klart, med nogle undersøgelser, der tyder på, at ladestriber fremmer supraledelse, og andre tyder på, at de konkurrerer med det.

Til deres analyse, Jiang og Devereaux skabte en virtuel version af en cuprate på et firkantet gitter, som et trådhegn med firkantede huller. Kobber- og iltatomerne er begrænset til fly i det virkelige materiale, men i den virtuelle version bliver de single, virtuelle atomer, der sidder ved hvert kryds, hvor ledninger mødes. Hver af disse virtuelle atomer kan højst rumme to elektroner, der frit kan hoppe eller hoppe - enten til deres nærmeste naboer på firkantgitteret eller diagonalt på tværs af hver firkant.

Da forskerne brugte DMRG til at simulere Hubbard -modellen som anvendt på dette system, de opdagede, at ændringer i elektronernes hoppemønstre havde en mærkbar effekt på forholdet mellem ladningsstriber og superledning.

Når elektroner kun hoppede til deres nærmeste naboer på det firkantede gitter, mønsteret af ladningsstriber blev stærkere, og den superledende tilstand dukkede aldrig op. Når elektroner fik lov til at hoppe diagonalt, ladestriber svækkede til sidst, men gik ikke væk, og den superledende tilstand dukkede endelig op.

"Indtil nu kunne vi ikke skubbe langt nok i vores modellering til at se, om ladningsstriber og superledelse kan sameksistere, når dette materiale er i sin laveste energitilstand. Nu ved vi, at de gør, i det mindste for systemer af denne størrelse, "Sagde Devereaux.

Det er stadig et åbent spørgsmål, om Hubbard -modellen beskriver al den utroligt komplekse adfærd, som ægte kuprater har, han tilføjede. Selv en lille stigning i systemets kompleksitet ville kræve et stort spring i kraften i algoritmen, der bruges til at modellere det. "Den tid, det tager at lave din simulering, stiger eksponentielt hurtigt med bredden af ​​det system, du vil studere, "Devereaux sagde." Det er eksponentielt mere kompliceret og krævende. "

Men med disse resultater, han sagde, "Vi har nu en fuldt interagerende model, der beskriver høj temperatur superledning, i det mindste for systemer i de størrelser, vi kan studere, og det er et stort skridt fremad. "