Föreställ dig telefoner och bärbara datorer som aldrig blir varmare eller elnät som aldrig förlorar energi. Detta är drömmen för forskare som arbetar med så kallade högtemperatursupraledare, som utan ansträngning kan överföra elektriska strömmar utan motstånd. De första supraledande materialen för hög temperatur, kallas cuprates, upptäcktes på 1980-talet och skulle senare bli föremål för ett Nobelpris. Termen "hög temperatur" är relativt - dessa material fungerar vid frostiga temperaturer på upp till minus 135 grader Celsius, lite högre än sina traditionella motsvarigheter, som fungerar vid ännu kyligare temperaturer nära absolut noll (minus 273 grader Celsius).

Trots att högtemperatursupraledare upptäcktes för tre decennier sedan, forskare kliar sig fortfarande i huvudet över hur materialen fungerar. Forskare vet att svaret är relaterat till elektroner som håller ihop i par, som om man limmade ihop, men naturen hos elektron-"limet" som binder dem är okänd. Att hitta limmet kan i slutändan leda till skapandet av rumstemperatur supraledande material och bana väg för energibesparande datorer och en mängd andra innovationer, som svävande tåg.

Caltechs Garnet Chan, Bren professor i kemi, försöker knäcka problemet med ett lite annorlunda tillvägagångssätt:kvantkemi. Han och hans kollegor utvecklar numeriska simuleringar som med hjälp av kvantmekanikens ekvationer, kartlägga vätskerörelserna hos elektroner i olika material. I en ny tidning i tidningen Vetenskap , de har visat att högtemperatursupraledande material ordnar sig i ett randigt mönster av laddningar – vad Chan och kollegor kallar "laddningsfloder" – precis innan de blir supraledande. Genom att utföra otroligt exakta numeriska simuleringar, Chan och hans medarbetare kunde utesluta alla andra kandidatmönster av anklagelser till förmån för den randiga staten.

De undersökte vidare vad som händer när ränderna kläms ihop, ett scenario som sannolikt uppstår från mönstrens naturliga fluktuationer, och fann att elektronerna spontant parades ihop. Med andra ord, laddningsfloderna är nära besläktade med det länge eftersökta elektronlimet. Detta fynd utgör en viktig ledtråd i kapplöpningen för att lösa problemet med högtemperatursupraledning.

"Jag gillar problem som folk har slagit huvudet på i decennier, och jag tror att många forskare håller med om att supraledning vid hög temperatur förmodligen är ett av de mest förbryllande fenomen som observerats i material, " säger Chan. "Även om möjligheten för randigt beteende hade tagits upp tidigare, det var bara ett bland en mängd olika tävlande kandidatmönster. Vidare, människor hade ingen aning om huruvida sådana ränder var bra för supraledning eller i själva verket dödade det supraledande tillståndet. Våra resultat visar inte bara att ränder är verkliga utan att de har en intim koppling till hur supraledning uppstår."

I den nya studien, Chan och medarbetare vid flera institutioner använde fyra mycket olika typer av numeriska metoder för att simulera högtemperatur supraledande material. I allmänhet, forskare beskriver dessa material med hjälp av Hubbard-modellen, en matematisk modell utvecklad på 1960-talet som förklarar det elektroniska beteendet hos många material – särskilt de som uppvisar supraledning vid hög temperatur. Även om ekvationerna i Hubbard-modellen är relativt enkla, att lösa dem för elektronernas beteende kräver datorkraft. Det var där de nya numeriska metoderna hjälpte till:de förutspådde hur elektronerna är organiserade i materialen med förbättrad precision, och de visade att laddningarna spontant organiserar sig i de randiga mönstren.

"Vi har tillhandahållit en definitiv numerisk lösning på en av de viktigaste modellerna inom den kondenserade materiens fysik, som har starka kopplingar med högtemperatursupraledning, " säger Bo-Xiao Zheng, huvudförfattare till studien och tidigare doktorand vid Caltech och Princeton. "Vad mer, vi använde fyra oberoende numeriska simuleringar för att komma till samma slutsats – en nödvändig korskontroll med tanke på de komplexa beteenden som är möjliga i dessa material."

"Detta sätter på plats en viktig bit i pusslet om hur högtemperatursupraledare fungerar, " säger Chan. "I sin tur, detta ger optimism om att en fullständig förståelse en dag kommer att vara möjlig."