Ученые наконец нашли сверхпроводимость в месте, которое они искали десятилетиями
Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики сообщают, что они нашли первое, долгожданное доказательство того, что десятилетняя научная модель поведения материалов может использоваться для моделирования и понимания высокотемпературной сверхпроводимости — важный шаг к создание и управление этим удивительным явлением по желанию.
Моделирование, которое они провели, опубликованное в журнале Science сегодня, предполагает, что исследователи могли бы включать и выключать сверхпроводимость в материалах на основе меди, называемых купратами, изменяя свою химию так, чтобы электроны переходили от атома к атому по определенной схеме — как если бы они прыгали к атом по диагонали через улицу, а не по соседству.
«Главное, что вы хотите знать, это как заставить сверхпроводники работать при более высоких температурах и как сделать сверхпроводимость более устойчивой», — сказал соавтор исследования Томас Деверо, директор Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) при SLAC. «Речь идет о поиске ручек, которые вы можете повернуть, чтобы изменить баланс в свою пользу».
По его словам, самым большим препятствием для этого было отсутствие модели — математического представления о том, как система ведет себя — которая описывает этот тип сверхпроводимости, открытие которого в 1986 году породило надежды на то, что когда-нибудь электричество может быть передано без потерь для идеально эффективные линии электропередач и поезда маглев.
Хотя ученые полагали, что модель Хаббарда, использовавшаяся десятилетиями для представления поведения электронов во многих материалах, может применяться к купратным высокотемпературным сверхпроводникам, до сих пор у них не было никаких доказательств, сказал Хонг-Чен Цзян, научный сотрудник SIMES и соавтор отчет.
«Это было основной нерешенной проблемой в этой области — описывает ли модель Хаббарда высокотемпературную сверхпроводимость в купратах или в ней отсутствует какой-то ключевой ингредиент?» он сказал. «Поскольку в этих материалах есть ряд конкурирующих состояний, мы должны полагаться на непредвзятые симуляции, чтобы ответить на эти вопросы, но вычислительные проблемы очень сложны, и поэтому прогресс был медленным».
Многоликий квантовый материал
Почему так сложно?
Хотя многие материалы ведут себя очень предсказуемым образом — медь всегда является металлом, а когда вы взрываете магнит, биты все еще остаются магнитными — высокотемпературные сверхпроводники являются квантовыми материалами, в которых электроны взаимодействуют, создавая неожиданные свойства. В этом случае они объединяются, чтобы проводить электричество без сопротивления или потерь при гораздо более высоких температурах, чем это могут объяснить установленные теории сверхпроводимости.
По словам Деверо, в отличие от обычных материалов, квантовые материалы могут содержать сразу несколько фаз или состояний вещества. Например, квантовый материал может быть металлическим в одном наборе условий, но изолировать в немного других условиях. Ученые могут нарушить баланс между фазами, например, переделывая химию материала или то, как его электроны перемещаются, и цель состоит в том, чтобы сделать это осознанным способом, чтобы создать новые материалы с полезными свойствами.
Один из самых мощных алгоритмов для моделирования подобных ситуаций известен как группа перенормировки матрицы плотности, или DMRG. Но поскольку эти сосуществующие фазы настолько сложны, использование DMRG для их моделирования требует много времени и памяти и обычно занимает довольно много времени, сказал Цзян.
Чтобы сократить время вычислений и достичь более глубокого уровня анализа, чем было бы практично раньше, Цзян искал способы оптимизировать детали моделирования. «Мы должны тщательно оптимизировать каждый шаг, — сказал он, — чтобы сделать его максимально эффективным и даже найти способы сделать две разные вещи одновременно». Эта эффективность позволила команде выполнить модели DMRG модели Хаббарда значительно быстрее, чем прежде, с примерно годичным временем вычислений в вычислительном кластере Шерлока Стэнфорда и других объектах в кампусе SLAC.
Прыгающие электронные соседи
Это исследование было сосредоточено на тонком взаимодействии между двумя фазами, которые, как известно, существуют в купратах, — высокотемпературной сверхпроводимостью и полосами заряда, которые подобны волновой структуре более высокой и более низкой электронной плотности в материале. Взаимосвязь между этими состояниями не ясна: некоторые исследования показывают, что полосы заряда способствуют сверхпроводимости, а другие предполагают, что они конкурируют с ней.
Для их анализа Цзян и Деверо создали виртуальную версию купрата на квадратной решетке, похожей на проволочный забор с квадратными отверстиями. Атомы меди и кислорода ограничены плоскостями в реальном материале, но в виртуальной версии они становятся единичными, виртуальными атомами, которые находятся на каждом из пересечений, где встречаются провода. Каждый из этих виртуальных атомов может вместить не более двух электронов, которые могут свободно прыгать или прыгать — либо к своим непосредственным соседям по квадратной решетке, либо по диагонали через каждый квадрат.
Когда исследователи использовали DMRG для моделирования модели Хаббарда применительно к этой системе, они обнаружили, что изменения в схемах скачкообразного изменения электронов оказали заметное влияние на связь между полосами заряда и сверхпроводимостью.
Когда электроны прыгали только к своим непосредственным соседям по квадратной решетке, картина полосок заряда усиливалась и сверхпроводящее состояние никогда не появлялось. Когда электронам позволили прыгать по диагонали, полосы заряда в конце концов ослабли, но не исчезли, и сверхпроводящее состояние наконец появилось.
«До сих пор мы не могли продвинуться достаточно далеко в нашем моделировании, чтобы увидеть, могут ли полосы заряда и сверхпроводимость сосуществовать, когда этот материал находится в его низшем энергетическом состоянии. Теперь мы знаем, что они существуют, по крайней мере, для систем такого размера», — сказал Деверо.
Он до сих пор остается открытым вопросом, описывает ли модель Хаббарда все невероятно сложное поведение настоящих купратов. Даже небольшое увеличение сложности системы потребует огромного скачка в силе алгоритма, используемого для ее моделирования. «Время, необходимое для симуляции, растет экспоненциально быстро с шириной системы, которую вы хотите изучить», — сказал Деверо. «Это экспоненциально сложнее и сложнее».
Но с этими результатами он сказал: «Теперь у нас есть полностью взаимодействующая модель, которая описывает высокотемпературную сверхпроводимость, по крайней мере, для систем с размерами, которые мы можем изучить, и это большой шаг вперед».
