Nordöstra forskare har använt en kraftfull datormodell för att undersöka en förbryllande klass av kopparbaserade material som kan förvandlas till supraledare. Deras resultat ger spännande ledtrådar för ett decennier gammalt mysterium, och ett steg framåt för kvantberäkning.

Materialets förmåga att låta elektricitet flöda kommer från det sätt på vilket elektroner i deras atomer är arrangerade. Beroende på dessa arrangemang, eller konfigurationer, allt material där ute är antingen isolatorer eller ledare för elektricitet.

Men cuprates, en klass av mystiska material som är gjorda av kopparoxider, är kända i det vetenskapliga samfundet för att ha en viss identitetsfråga som kan göra dem till både isolatorer och konduktörer.

Under normala förhållanden, kuprater är isolatorer:material som hämmar elektronflödet. Men med tweaks till deras sammansättning, de kan förvandlas till världens bästa supraledare.

Upptäckten av denna typ av supraledning 1986 vann sina upptäckare ett Nobelpris 1987, och fascinerade det vetenskapliga samfundet med en värld av möjligheter till förbättringar av superdatorer och annan avgörande teknik.

Men med fascination kom 30 år av förvirring:Forskare har inte fullt ut kunnat dechiffrera arrangemanget av elektroner som kodar för supraledning i kuprater.

Att kartlägga den elektroniska konfigurationen av dessa material är utan tvekan en av de tuffaste utmaningarna inom teoretisk fysik, säger Arun Bansil, Universitetsdistributerad professor i fysik vid nordöstra. Och, han säger, eftersom supraledning är ett konstigt fenomen som bara händer vid temperaturer så låga som -300 F (eller ungefär lika kallt som det blir på Uranus), räkna ut de mekanismer som gör det möjligt i första hand kan hjälpa forskare att göra superledare som fungerar vid rumstemperatur.

Nu, ett team av forskare som inkluderar Bansil och Robert Markiewicz, en professor i fysik vid nordöstra, presenterar ett nytt sätt att modellera dessa konstiga mekanismer som leder till supraledning hos kuprater.

I en studie publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , laget förutspådde exakt beteendet hos elektroner när de rör sig för att möjliggöra supraledning i en grupp koppar som kallas yttrium barium kopparoxider.

I dessa kuprater, studien finner, supraledning framträder från många typer av elektronkonfigurationer. Hela 26 av dem, att vara specifik.

"Under denna övergångsfas, materialet kommer i huvudsak att bli en slags soppa av olika faser, "Säger Bansil." De splittrade personligheterna i dessa underbara material avslöjas nu för första gången. "

Fysiken inom supraledare i kuprat är i grunden konstig. Markiewicz tänker på den komplexiteten som den klassiska indiska myten om de blinda männen och elefanten, vilket har varit ett skämt i decennier bland teoretiska fysiker som studerar cuprates.

Enligt myten, blinda möter en elefant för första gången, och försök förstå vad djuret är genom att röra vid det. Men eftersom var och en av dem bara rör vid en del av kroppen - stammen, svans, eller ben, till exempel - de har alla ett annat (och begränsat) begrepp om vad en elefant är.

"I början, vi tittade alla [på cuprates] på olika sätt, "Säger Markiewicz." Men vi visste det, förr eller senare, det rätta sättet skulle dyka upp. "

Mekanismerna bakom kuprater kan också hjälpa till att förklara den förvirrande fysiken bakom andra material som förvandlas till supraledare vid extrema temperaturer, Markiewicz säger, och revolutionera hur de kan användas för att möjliggöra kvantberäkning och annan teknik som behandlar data med extremt snabba hastigheter.

"Vi försöker förstå hur de går ihop i de verkliga kuprater som används i experiment, "Säger Markiewicz.

Utmaningen att modellera cuprate superledare kommer ner på kvantemekanikens konstiga område, som studerar beteendet och rörelsen för de minsta bitarna av materia - och de konstiga fysiska regler som styr allt på atomernas skala.

I vilket material som helst - säg metallen i din smartphone - elektroner som bara finns i fingertoppens utrymme kan uppgå till nummer ett följt av 22 nollor, Säger Bansil. Att modellera fysiken för ett så stort antal elektroner har varit extremt utmanande ända sedan kvantmekanikens område föddes.

Bansil tycker om denna komplexitet som fjärilar i en burk som flyger snabbt och smart för att undvika att kollidera med varandra. I ett ledande material, elektroner rör sig också. Och på grund av en kombination av fysiska krafter, de undviker också varandra. Dessa egenskaper är kärnan i det som gör det svårt att modellera cuprate -material.

"Problemet med cupraterna är att de är på gränsen mellan att vara en metall och en isolator, och du behöver en beräkning som är så bra att den systematiskt kan fånga den överkorsningen, "Säger Markiewicz." Vår nya modellering kan fånga detta beteende. "

I teamet ingår forskare från Tulane University, Villmanstrand tekniska universitet i Finland, och Temple University. Forskarna är de första som modellerar de elektroniska tillstånden i kupraterna utan att lägga till parametrar för hand för sina beräkningar, som fysiker har haft att göra tidigare.

Att göra det, forskarna modellerade energin i atomer i yttrium barium kopparoxider på sina lägsta nivåer. Genom att göra det kan forskare spåra elektroner när de upphetsar och rör sig, vilket i sin tur hjälper till att beskriva mekanismerna som stöder den kritiska övergången till supraledning.

Den övergången, känd som pseudogapfasen i materialet, kan beskrivas helt enkelt som en dörr, Säger Bansil. I en isolator, materialets struktur är som en stängd dörr som ingen släpper igenom. Om dörren är vidöppen - som det skulle vara för en ledare - passerar elektroner lätt igenom.

Men i material som upplever denna pseudogapfas, den dörren skulle vara något öppen. Dynamiken i det som förvandlar den dörren till en riktigt vidöppen dörr (eller, superledare) förblir ett mysterium, men den nya modellen fångar 26 elektronkonfigurationer som kan göra det.

"Med vår förmåga att nu göra denna första principer-parameter-fria-typ av modellering, vi kan faktiskt gå längre, och förhoppningsvis börja förstå denna pseudogapfas lite bättre, "Säger Bansil.