Kvantegennembrud kaster lys over forvirrende højtemperatur-superledere

Superhurtige svævende tog, langdistance-tabsfri kraftoverførsel, hurtigere MRI-maskiner - alle disse fantastiske teknologiske fremskridt kunne være i vores hånd, hvis vi bare kunne lave et materiale, der transmitterer elektricitet uden modstand - eller "superledere" - ved omkring stuetemperatur.

I et papir udgivet i Science , rapporterer forskere om et gennembrud i vores forståelse af oprindelsen af ​​superledning ved relativt høje (men stadig kolde) temperaturer. Resultaterne vedrører en klasse af superledere, der har undret videnskabsmænd siden 1986, kaldet "cuprates."

"Der var en enorm spænding, da cuprat-superledere blev opdaget [i 1986], men ingen forståelse af, hvorfor de forbliver superledende ved så høje temperaturer," siger Shiwei Zhang, en seniorforsker ved Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics (CCQ). "Jeg tror, ​​det er overraskende for alle, at vi næsten 40 år senere stadig ikke helt forstår, hvorfor de gør, som de gør."

I det nye papir genskabte Zhang og hans kolleger med succes træk ved cuprate-superledning med en simpel model kaldet den todimensionelle Hubbard-model, der behandler materialerne, som om de var elektroner, der bevæger sig rundt på et kvanteskakbræt. Gennembruddet kommer kun få år efter, at de samme forskere påviste, at den enkleste version af denne model ikke kunne udføre sådan en bedrift. Sådanne ligetil modeller kan udløse en dybere forståelse af fysik, siger undersøgelsens medforfatter Ulrich Schollwöck, professor ved universitetet i München.

"Idéen i fysik er at holde modellen så enkel som muligt, fordi den er svær nok alene," siger Schollwöck. "Så i begyndelsen studerede vi den enklest tænkelige version."

I den nye undersøgelse tilføjede forskerne 2D Hubbard-modellen evnen for elektroner til at lave diagonale hop, ligesom biskopper i skak. Med denne tweak og tusindvis af uger lange simuleringer på supercomputere fangede forskernes model superledningsevnen og flere andre nøgletræk ved cuprates, der tidligere er fundet i eksperimenter. Ved at vise, at den ydmyge Hubbard-model kan beskrive cuprate-superledning, beviser forfatterne sit værd som en platform til at forstå, hvorfor og hvordan superledning opstår.

I det meste af det sidste århundrede troede fysikere, at de forstod, hvorfor nogle materialer er superledende. De troede, at superledning kun eksisterede ved ekstremt lave temperaturer under omkring minus 243 grader Celsius (omkring 30 grader over det absolutte nulpunkt). Sådanne lave temperaturer kræver dyre kølesystemer, der bruger flydende helium.

Da cuprates blev opdaget i 1986, chokerede de videnskabsverdenen ved at superledende ved meget højere temperaturer. I midten af ​​1990'erne havde videnskabsmænd opdaget cuprater, der forblev superledende op til omkring minus 123 grader Celsius (ca. 150 grader over det absolutte nulpunkt). Sådanne temperaturer kan nås ved at bruge relativt billigt flydende nitrogen.

Du kan forestille dig en cuprat som en lasagne af kobberoxidlag, der veksler med lag af andre ioner. (Navnet "kuprat" kommer fra det latinske ord for kobber.) Superledning opstår, når elektricitet strømmer uden modstand gennem kobberoxidlagene. Den enkleste version af 2D Hubbard-modellen bruger kun to udtryk til at forestille hvert lag som et skakbræt, hvor elektroner kan hoppe nord, syd, øst og vest.

"Da jeg begyndte at arbejde på Hubbard-modellen i de tidlige dage med høj-temperatur superledning, troede vi, at når vi fik den rene model simuleret på et lille 'skakbræt', ville vi fuldstændig forstå superledning," siger studiets medforfatter Steven White , professor ved University of California, Irvine. "Men da vi udviklede teknikkerne, fandt vi ud af, at Hubbard-modellen var meget mere kompliceret, end vi troede."

Kvantemekanikken skaber den kompleksitet:Lagene er beboet af elektroner, hver med enten et op- eller et nedadspin. Elektronerne kan blive viklet ind. Denne sammenfiltring betyder, at elektronerne ikke kan behandles separat, selv når de er langt fra hinanden, hvilket gør dem utroligt svære at simulere på en computer.

"Selvom Hubbard-modellen kan skrives ned som en ligning, der kun tager en linje eller to tekst, fordi den anvendes på hundredvis af atomer, der interagerer gennem kvantemekanikkens mærkelige love, kunne man simulere den på en computer så stor som jorden i tusinder af år og stadig ikke være i stand til at få de rigtige svar," siger White.

Genveje er nødvendige for at håndtere det kompleksitetsniveau – og sådanne genveje er forskernes speciale. I 90'erne udviklede White og Zhang hver for sig nu anerkendte teknikker, der reducerede computertiden eksponentielt. For at håndtere den enormt komplicerede model, der kommer af at tilføje det diagonale humle, giftede forskerne sig med de to teknikker. En teknik tænker på elektronerne mere som partikler; den anden understreger deres bølgelignende struktur.

"Det store ved kombinationen er, at den ene er stærk, hvor den anden er svag," siger Schollwöck. "Vi kunne lave et 'håndtryk' i et bestemt område, hvor de begge arbejder, certificere den ene metode ved hjælp af den anden og derefter udforske det ukendte, hvor kun den ene af dem fungerer." En sådan kollaborativ multimetode-tilgang er arven fra Simons Collaboration on the Many Electron Problem, som omfattede mange CCQ-forskere, siger han.

Udover de kvantemekaniske regler for bevægelse, påvirker antallet af elektroner på skakbrættet modellens fysik. I mange år har fysikere vidst, at når der er det samme antal elektroner som mellemrum på tavlen, danner elektronerne et stabilt skakbrætmønster af skiftende op-og-ned-spin. Denne opsætning er ikke superledende – faktisk er den slet ikke ledende. Cuprates kræver derfor en ændring i antallet af elektroner.

I det tidligere arbejde af Zhang og hans kolleger med den enkleste Hubbard-model resulterede tilføjelse eller fjernelse af elektroner ikke i superledning. I stedet blev det stabile skakternet til et stribet mønster, med striber bestående af enten linjer med ekstra elektroner eller linjer med huller efterladt af de fjernede elektroner.

Men da forskerne tilføjede den diagonale hop-faktor til Hubbard-modellen, blev striberne kun delvist fyldte, og superledning opstod. Ydermere matchede resultatet nogenlunde eksperimentelle resultater på cuprategenskaber.

"Konkurrerer striber strengt med superledningsevnen, eller forårsager de superledningsevnen, eller er det noget midt imellem?" spørger White. "Det aktuelle svar er noget midt imellem, som er mere kompliceret end begge de andre svar."

Zhang siger, at papiret beviser den fortsatte betydning af Hubbard-modellen og den "klassiske" beregning – det vil sige udvikling af teknikker og algoritmer, der gør bedre brug af almindelige computere frem for at vente på kvantecomputere.

"Efter over 30 års intens indsats fra fællesskabet uden mange pålidelige svar, er det ofte blevet hævdet, at løsning af Hubbard-modellen ville skulle vente på en kvantecomputer," siger Zhang. "Denne indsats vil ikke kun fremme forskning i højtemperatursuperledning, men forhåbentlig også anspore mere forskning ved hjælp af 'klassisk' beregning til at udforske kvanteverdenens vidundere."

Flere oplysninger: Hao Xu et al., Sameksistens af superledning med delvist udfyldte striber i Hubbard-modellen, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh7691

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Simons Foundation