Superleder eller ej? Udforsker identitetskrisen i dette underlige kvantemateriale

Nordøstlige forskere har brugt en kraftfuld computermodel til at undersøge en forvirrende klasse af kobberbaserede materialer, der kan omdannes til superledere. Deres fund giver spændende spor til et årtier gammelt mysterium, og et skridt fremad for kvanteberegning.

Materialets evne til at lade elektricitet strømme kommer fra den måde, hvorpå elektroner i deres atomer er arrangeret. Afhængigt af disse arrangementer, eller konfigurationer, alle materialer derude er enten isolatorer eller ledere af elektricitet.

Men cuprates, en klasse af mystiske materialer, der er fremstillet af kobberoxider, er berømte i det videnskabelige samfund for at have noget af et identitetsproblem, der kan gøre dem til både isolatorer og konduktører.

Under normale forhold, cuprates er isolatorer:materialer, der hæmmer elektronstrømmen. Men med tweaks til deres sammensætning, de kan transformere sig til verdens bedste superledere.

Fundet af denne form for superledelse i 1986 vandt sine opdagere en Nobelpris i 1987, og fascinerede det videnskabelige samfund med en verden af ​​muligheder for forbedringer af supercomputing og andre afgørende teknologier.

Men med fascination kom 30 års forvirring:Forskere har ikke været i stand til fuldstændigt at dechifrere arrangementet af elektroner, der koder for superledning i cuprates.

Kortlægning af den elektroniske konfiguration af disse materialer er uden tvivl en af ​​de hårdeste udfordringer inden for teoretisk fysik, siger Arun Bansil, Universitetsudmærket professor i fysik i det nordøstlige. Og, han siger, fordi superledning er et underligt fænomen, der kun sker ved temperaturer så lave som -300 F (eller omtrent lige så kolde som det bliver på Uranus), at finde ud af de mekanismer, der i første omgang gør det muligt, kan hjælpe forskere med at lave superledere, der fungerer ved stuetemperatur.

Nu, et team af forskere, der omfatter Bansil og Robert Markiewicz, en professor i fysik på Northeastern, præsenterer en ny måde at modellere disse mærkelige mekanismer, der fører til superledning i cuprates.

I en undersøgelse offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , teamet forudsagde nøjagtigt elektroners adfærd, når de bevæger sig for at muliggøre supraledelse i en gruppe cuprater kendt som yttrium barium kobberoxider.

I disse cuprater, undersøgelsen finder, superledelse fremkommer fra mange typer elektronkonfigurationer. Hele 26 af dem, at være specifik.

"I denne overgangsfase, materialet vil i det væsentlige blive en slags suppe af forskellige faser, "Siger Bansil." De splittede personligheder i disse vidunderlige materialer afsløres nu for første gang. "

Fysikken inden for cuprate superledere er iboende underlig. Markiewicz tænker på denne kompleksitet som den klassiske indiske myte om de blinde mænd og elefanten, som har været en joke i årtier blandt teoretiske fysikere, der studerer cuprates.

Ifølge myten, blinde mænd møder en elefant for første gang, og prøv at forstå, hvad dyret er ved at røre ved det. Men fordi hver af dem kun rører ved en del af kroppen - bagagerummet, hale, eller ben, for eksempel - de har alle et andet (og begrænset) begreb om, hvad en elefant er.

"I begyndelsen, vi kiggede alle [på cuprates] på forskellige måder, "Siger Markiewicz." Men vi vidste det, før eller senere, den rigtige måde skulle vise sig. "

Mekanismerne bag kopater kan også hjælpe med at forklare den forvirrende fysik bag andre materialer, der bliver til superledere ved ekstreme temperaturer, Markiewicz siger, og revolutionere den måde, de kan bruges til at muliggøre quantum computing og andre teknologier, der behandler data med ultrahurtige hastigheder.

"Vi forsøger at forstå, hvordan de kommer sammen i de virkelige cuprates, der bruges i eksperimenter, "Siger Markiewicz.

Udfordringen med at modellere cuprate superledere kommer ned på kvantemekanikkens underlige område, som studerer opførsel og bevægelse af de mindste stofstykker - og de mærkelige fysiske regler, der styrer alt på atomernes skala.

I et givet materiale - sig f.eks. metallet i din smartphone - elektroner, der kun findes inden for en fingerspids, kan udgøre nummer et efterfulgt af 22 nuller, Siger Bansil. Modellering af fysikken for et så stort antal elektroner har været ekstremt udfordrende lige siden kvantemekanikkens område blev født.

Bansil kan lide at tænke på denne kompleksitet som sommerfugle inde i en krukke, der flyver hurtigt og smart for at undgå at kollidere med hinanden. I et ledende materiale, elektroner bevæger sig også rundt. Og på grund af en kombination af fysiske kræfter, de undgår også hinanden. Disse egenskaber er kernen i det, der gør det svært at modellere materialer, der er i brug.

"Problemet med cupraterne er, at de er på grænsen mellem at være et metal og en isolator, og du har brug for en beregning, der er så god, at den systematisk kan fange den crossover, "Siger Markiewicz." Vores nye modellering kan fange denne adfærd. "

Teamet omfatter forskere fra Tulane University, Lappeenranta University of Technology i Finland, og Temple University. Forskerne er de første til at modellere de elektroniske tilstande i cupraterne uden at tilføje parametre i hånden til deres beregninger, som fysikere har været nødt til at gøre tidligere.

At gøre det, forskerne modellerede energien i atomer af yttrium barium kobberoxider på deres laveste niveauer. Gør det det muligt for forskere at spore elektroner, mens de ophidser og bevæger sig rundt, hvilket igen hjælper med at beskrive mekanismerne, der understøtter den kritiske overgang til superledning.

Den overgang, kendt som pseudogapfasen i materialet, kan ganske enkelt beskrives som en dør, Siger Bansil. I en isolator, materialets struktur er som en lukket dør, der slipper ingen igennem. Hvis døren er vid åben - som det ville være for en leder - passerer elektroner let igennem.

Men i materialer, der oplever denne pseudogap -fase, den dør ville være lidt åben. Dynamikken i, hvad der forvandler den dør til en virkelig åben dør (eller, superleder) forbliver et mysterium, men den nye model fanger 26 elektronkonfigurationer, der kunne gøre det.

"Med vores evne til nu at udføre denne model med de første principper-parameterfrie modeller, vi er i stand til faktisk at gå videre, og forhåbentlig begynde at forstå denne pseudogap -fase lidt bedre, "Siger Bansil.