Supersnabba svävande tåg, långväga förlustfri kraftöverföring, snabbare MRI-maskiner – alla dessa fantastiska tekniska framsteg skulle kunna vara i vårt grepp om vi bara kunde tillverka ett material som överför elektricitet utan motstånd – eller "supraledningar" – runt rumstemperatur.
I en artikel publicerad i Science , rapporterar forskare ett genombrott i vår förståelse av ursprunget till supraledning vid relativt höga (men fortfarande kyliga) temperaturer. Fynden gäller en klass av supraledare som har förbryllat forskare sedan 1986, kallade "cuprates."
"Det var en enorm spänning när cuprate supraledare upptäcktes [1986], men ingen förståelse för varför de förblir supraledande vid så höga temperaturer", säger Shiwei Zhang, senior forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Quantum Physics (CCQ). "Jag tror att det är förvånande för alla att vi nästan 40 år senare fortfarande inte riktigt förstår varför de gör som de gör."
I den nya uppsatsen återskapade Zhang och hans kollegor framgångsrikt egenskaper hos cuprate-supraledning med en enkel modell som kallas den tvådimensionella Hubbard-modellen, som behandlar materialen som om de vore elektroner som rör sig runt ett kvantschackbräde. Genombrottet kommer bara några år efter att samma forskare visade att den enklaste versionen av denna modell inte kunde utföra en sådan bedrift. Sådana enkla modeller kan ge en djupare förståelse för fysik, säger studiens medförfattare Ulrich Schollwöck, professor vid universitetet i München.
"Tanken inom fysiken är att hålla modellen så enkel som möjligt eftersom den är tillräckligt svår på egen hand", säger Schollwöck. "Så i början studerade vi den enklaste versionen man kan tänka sig."
I den nya studien lade forskarna till 2D Hubbard-modellen förmågan för elektroner att göra diagonala hopp, som biskopar i schack. Med denna tweak och tusentals veckor långa simuleringar på superdatorer, fångade forskarnas modell supraledningsförmågan och flera andra nyckelegenskaper hos cuprates som tidigare hittats i experiment. Genom att visa att den ödmjuka Hubbard-modellen kan beskriva cuprate supraledning, bevisar författarna sitt värde som en plattform för att förstå varför och hur supraledning uppstår.
Under större delen av förra seklet trodde fysiker att de förstod varför vissa material är superledande. De trodde att supraledning endast existerade vid extremt låga temperaturer under cirka minus 243 grader Celsius (cirka 30 grader över absolut noll). Så låga temperaturer kräver dyra kylsystem som använder flytande helium.
När cuprates upptäcktes 1986 chockade de vetenskapsvärlden genom att supraledande vid mycket högre temperaturer. I mitten av 1990-talet hade forskare upptäckt kuprater som förblev supraledande upp till runt minus 123 grader Celsius (cirka 150 grader över absolut noll). Sådana temperaturer kan uppnås med relativt billigt flytande kväve.
Du kan föreställa dig en kuprat som en lasagne av kopparoxidlager omväxlande med lager av andra joner. (Namnet "kuprat" kommer från det latinska ordet för koppar.) Supraledning uppstår när elektricitet strömmar utan motstånd genom kopparoxidskikten. Den enklaste versionen av 2D Hubbard-modellen använder bara två termer för att föreställa varje lager som ett schackbräde där elektroner kan hoppa norr, söder, öster och väster.
"När jag började arbeta med Hubbard-modellen i de tidiga dagarna av högtemperatursupraledning, trodde vi att när vi fick den rena modellen simulerad på ett litet "schackbräde" skulle vi helt förstå supraledning, säger studiens medförfattare Steven White , professor vid University of California, Irvine. "Men när vi utvecklade teknikerna upptäckte vi att Hubbard-modellen var mycket mer komplicerad än vi trodde."
Kvantmekaniken skapar den komplexiteten:Lagren är bebodda av elektroner, var och en med antingen ett uppåt- eller ett nedåtsnurr. Elektronerna kan trassla in sig. Denna intrassling innebär att elektronerna inte kan behandlas separat även när de är långt ifrån varandra, vilket gör dem otroligt svåra att simulera på en dator.
"Även om Hubbard-modellen kan skrivas ner som en ekvation som bara tar en rad eller två text, eftersom den tillämpas på hundratals atomer som interagerar genom kvantmekanikens konstiga lagar, skulle man kunna simulera den på en dator lika stor som jorden i tusentals år och fortfarande inte kunnat få de rätta svaren", säger White.
Genvägar behövs för att hantera den komplexitetsnivån — och sådana genvägar är forskarnas specialitet. På 90-talet utvecklade White och Zhang separat nu kända tekniker som minskade beräkningstiden exponentiellt. För att hantera den enormt komplicerade modellen som kommer från att lägga till det diagonala humlet, gifte sig forskarna med dessa två tekniker. En teknik tänker på elektronerna mer som partiklar; den andra framhäver deras vågliknande struktur.
"Det stora med kombinationen är att den ena är stark där den andra är svag", säger Schollwöck. "Vi skulle kunna göra ett "handslag" i ett visst område där de båda arbetar, certifiera den ena metoden med den andra, och sedan utforska det okända där bara en av dem fungerar." Ett sådant samarbetssätt med flera metoder är arvet från Simons Collaboration on the Many Electron Problem, som inkluderade många CCQ-forskare, säger han.
Förutom de kvantmekaniska reglerna för rörelse, påverkar antalet elektroner på schackbrädet modellens fysik. I många år har fysiker vetat att när det finns samma antal elektroner som mellanrum på tavlan, bildar elektronerna ett stabilt rutmönster av omväxlande upp-och-ner-snurr. Den här inställningen är inte supraledande – i själva verket är den inte alls ledande. Cuprates kräver därför en förändring av antalet elektroner.
I det tidigare arbetet av Zhang och hans kollegor med den enklaste Hubbard-modellen, resulterade inte tillsättning eller borttagning av elektroner i supraledning. Istället förvandlades den stabila schackbrädet till ett randigt mönster, med ränder som bestod av antingen linjer med extra elektroner eller linjer med hål kvar av de borttagna elektronerna.
Men när forskarna lade till den diagonala hoppfaktorn till Hubbard-modellen fylldes ränderna endast delvis ut, och supraledning uppstod. Dessutom överensstämde resultatet ungefär med experimentella resultat på kuprategenskaper.
"Konkurrar ränder strikt med supraledning, eller orsakar de supraledning, eller är det något mittemellan?" frågar White. "Det aktuella svaret är något mittemellan, vilket är mer komplicerat än något av de andra svaren."
Zhang säger att uppsatsen bevisar den fortsatta betydelsen av Hubbard-modellen och "klassisk" beräkning – det vill säga att utveckla tekniker och algoritmer som bättre utnyttjar vanliga datorer snarare än att vänta på kvantdatorer.
"Efter över 30 års intensiva ansträngningar från samhället utan många tillförlitliga svar, har det ofta hävdats att en lösning av Hubbard-modellen skulle behöva vänta på en kvantdator", säger Zhang. "Denna ansträngning kommer inte bara att främja forskning i högtemperatursupraledning, utan förhoppningsvis också stimulera mer forskning med "klassisk" beräkning för att utforska kvantvärldens underverk."
Mer information: Hao Xu et al, Samexistens av supraledning med delvis fyllda ränder i Hubbard-modellen, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh7691
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Simons Foundation
