Forskare vid Stanford University och Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory säger att de har hittat den första, efterlängtat bevis på att en decennier gammal vetenskaplig modell för materialbeteende kan användas för att simulera och förstå supraledning vid hög temperatur-ett viktigt steg mot att producera och kontrollera detta förvirrande fenomen efter behag.

Simuleringarna de körde, publicerad i Vetenskap i dag, föreslår att forskare kan slå på och av supraledning i kopparbaserade material som kallas kuprater genom att anpassa deras kemi så att elektroner hoppar från atom till atom i ett visst mönster-som om de hoppar till atomen diagonalt tvärs över gatan snarare än till den dörren intill.

"Det stora du vill veta är hur man får superledare att fungera vid högre temperaturer och hur man gör supraledning mer robust, "säger studiens medförfattare Thomas Devereaux, chef för Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC. "Det handlar om att hitta de rattar du kan vrida för att tippa balansen till din fördel."

Det största hindret för att göra det, han sa, har varit avsaknaden av en modell - en matematisk framställning av hur ett system beter sig - som beskriver denna typ av supraledning, vars upptäckt 1986 väckte förhoppningar om att el någon gång kan överföras utan förlust för perfekt effektiva kraftledningar och maglevtåg.

Medan forskare trodde Hubbard -modellen, används i decennier för att representera elektronbeteende i många material, kan gälla supraledare med hög temperatur, tills nu hade de inga bevis, sa Hong-Chen Jiang, en SIMES-personalvetare och medförfattare till rapporten.

"Detta har varit ett stort olöst problem på fältet-beskriver Hubbard-modellen högtemperatur supraledning i kopparna, eller saknas det någon viktig ingrediens? "sa han." Eftersom det finns ett antal konkurrerande stater i dessa material, vi måste förlita oss på opartiska simuleringar för att svara på dessa frågor, men beräkningsproblemen är mycket svåra, och så har utvecklingen gått långsamt. "

Kvantmaterialens många ansikten

Varför så svårt?

Även om många material beter sig på mycket förutsägbara sätt - koppar är alltid en metall, och när du slår upp en magnet är bitarna fortfarande magnetiska-högtemperatur superledare är kvantmaterial, där elektroner samarbetar för att producera oväntade egenskaper. I detta fall, de kopplar ihop för att leda elektricitet utan motstånd eller förlust vid mycket högre temperaturer än etablerade teorier om supraledning kan förklara.

Till skillnad från vardagsmaterial, kvantmaterial kan vara värd för ett antal faser, eller materiens tillstånd, genast, Sa Devereaux. Till exempel, ett kvantmaterial kan vara metalliskt under en uppsättning förhållanden, men isolerande under lite olika förhållanden. Forskare kan tippa balansen mellan faser genom att pyssla med materialets kemi eller hur dess elektroner rör sig, till exempel, och målet är att göra detta på ett avsiktligt sätt för att skapa nya material med användbara egenskaper.

En av de mest kraftfulla algoritmerna för modelleringssituationer som denna är känd som densitetsmatrisrenormaliseringsgrupp, eller DMRG. Men eftersom dessa samexisterande faser är så komplexa, att använda DMRG för att simulera dem kräver mycket beräkningstid och minne och tar vanligtvis ganska lång tid, Sa Jiang.

För att minska datortiden och nå en djupare analysnivå än vad som hade varit praktiskt tidigare, Jiang letade efter sätt att optimera detaljerna i simuleringen. "Vi måste noggrant effektivisera varje steg, " han sa, "göra det så effektivt som möjligt och till och med hitta sätt att göra två separata saker samtidigt." Dessa effektiviteter gjorde att laget kunde köra DMRG -simuleringar av Hubbard -modellen betydligt snabbare än tidigare, med ungefär ett års datortid vid Stanfords Sherlock -datorkluster och andra faciliteter på SLAC -campus.

Hoppar elektrongrannar

Denna studie fokuserade på det känsliga samspelet mellan två faser som är kända för att existera i kuprater-högtemperatur supraledning och laddningsränder, som är som ett vågmönster med högre och lägre elektrontäthet i materialet. Förhållandet mellan dessa stater är inte klart, med vissa studier som tyder på att laddningsränder främjar supraledning och andra som tyder på att de tävlar med det.

För deras analys, Jiang och Devereaux skapade en virtuell version av en cuprate på ett fyrkantigt galler, som ett trådstaket med fyrkantiga hål. Koppar- och syreatomerna är begränsade till plan i det verkliga materialet, men i den virtuella versionen blir de singlar, virtuella atomer som sitter vid var och en av korsningarna där ledningar möts. Var och en av dessa virtuella atomer kan rymma högst två elektroner som är fria att hoppa eller hoppa - antingen till sina närmaste grannar på kvadratgitteret eller diagonalt över varje kvadrat.

När forskarna använde DMRG för att simulera Hubbard -modellen som tillämpas på detta system, de upptäckte att förändringar i elektronernas hoppningsmönster hade en märkbar effekt på förhållandet mellan laddningsränder och supraledning.

När elektroner bara hoppade till sina närmaste grannar på torget, mönstret av laddningsränder blev starkare och det supraledande tillståndet uppträdde aldrig. När elektroner fick hoppa diagonalt, laddningsränder försvagades så småningom, men gick inte bort, och det supraledande tillståndet kom äntligen fram.

"Hittills kunde vi inte driva tillräckligt långt i vår modellering för att se om laddningsränder och supraledning kan samexistera när detta material är i sitt lägsta energitillstånd. Nu vet vi att de gör det, åtminstone för system av denna storlek, "Sa Devereaux.

Det är fortfarande en öppen fråga om Hubbard -modellen beskriver allt det otroligt komplexa beteendet hos riktiga kuprater, han lade till. Även en liten ökning av systemets komplexitet skulle kräva ett stort steg i kraften hos algoritmen som används för att modellera det. "Den tid det tar att göra din simulering går exponentiellt snabbt med bredden på det system du vill studera, "Devereaux sa." Det är exponentiellt mer komplicerat och krävande. "

Men med dessa resultat, han sa, "Vi har nu en fullt interagerande modell som beskriver supraledning vid hög temperatur, åtminstone för system i de storlekar vi kan studera, och det är ett stort steg framåt. "