Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики говорят, что нашли первое долгожданное доказательство того, что научная модель поведения материала, созданная десятилетиями, может быть использована для моделирования и понимания высокотемпературной сверхпроводимости. - важный шаг к созданию и управлению этим загадочным явлением по желанию.
Моделирование, которое они провели, опубликованное сегодня в журнале Science, предполагает, что исследователи могли бы включать и выключать сверхпроводимость в материалах на основе меди, называемых купратами, настраивая их химический состав таким образом, чтобы электроны прыгали от атома к атому по определенной схеме - как бы прыгая к атому по диагонали через улицу, а не к соседнему.
«Важно знать, как заставить сверхпроводники работать при более высоких температурах и как сделать сверхпроводимость более надежной», - сказал соавтор исследования Томас Деверо, директор Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) в SLAC. «Речь идет о том, чтобы найти ручки, которые можно повернуть, чтобы склонить чашу весов в свою пользу».
Самым большим препятствием для этого, по его словам, было отсутствие модели - математического представления поведения системы - которая описывает этот тип сверхпроводимости, открытие которого в 1986 году породило надежды на то, что электричество когда-нибудь может быть передается без потерь для идеально эффективных линий электропередач и поездов на магнитной подвеске.
Хотя ученые думали, что модель Хаббарда, десятилетиями использовавшаяся для описания поведения электронов в различных материалах, может быть применима к купратным высокотемпературным сверхпроводникам, до сих пор у них не было доказательств, сказал Хун-Чен Цзян, научный сотрудник SIMES и соавтор доклада.
"Это была главная нерешенная проблема в этой области - описывает ли модель Хаббарда высокотемпературную сверхпроводимость в купратах, или в ней отсутствует какой-то ключевой компонент?" он сказал. «Поскольку в этих материалах есть ряд конкурирующих состояний, мы должны полагаться на беспристрастное моделирование, чтобы ответить на эти вопросы, но вычислительные проблемы очень сложны, поэтому прогресс был медленным».
Многоликость квантовых материалов
Почему так сложно?
В то время как многие материалы ведут себя очень предсказуемо - медь всегда является металлом, и когда вы ломаете магнит, кусочки остаются магнитными - высокотемпературные сверхпроводники - это квантовые материалы, в которых электроны взаимодействуют, чтобы создавать неожиданные свойства. В этом случае они объединяются, чтобы проводить электричество без сопротивления или потерь при гораздо более высоких температурах, чем это могут объяснить устоявшиеся теории сверхпроводимости.
В отличие от повседневных материалов, квантовые материалы могут содержать несколько фаз или состояний материи одновременно, сказал Деверо. Например, квантовый материал может быть металлическим при одних условиях, но изолирующим при немного других условиях. Ученые могут изменить баланс между фазами, воздействуя, например, на химию материала или на то, как движутся его электроны, и цель состоит в том, чтобы сделать это преднамеренно и создать новые материалы с полезными свойствами.
Один из самых мощных алгоритмов для моделирования подобных ситуаций известен как группа ренормализации матрицы плотности, или DMRG. Но поскольку эти сосуществующие фазы настолько сложны, использование DMRG для их моделирования требует много вычислительного времени и памяти и обычно занимает довольно много времени, сказал Цзян..
Чтобы сократить время вычислений и достичь более глубокого уровня анализа, чем это было возможно раньше, Цзян искал способы оптимизировать детали моделирования. «Мы должны тщательно упорядочить каждый шаг, - сказал он, - сделать его максимально эффективным и даже найти способы делать две отдельные вещи одновременно.«Эта эффективность позволила команде запускать DMRG-моделирование модели Хаббарда значительно быстрее, чем раньше, с примерно годом вычислительного времени в вычислительном кластере Sherlock Стэнфорда и других объектах в кампусе SLAC»..
Прыжки электронов на соседей
Это исследование было сосредоточено на тонком взаимодействии между двумя фазами, которые, как известно, существуют в купратах - высокотемпературной сверхпроводимостью и зарядовыми полосами, которые подобны волновой картине более высокой и низкой электронной плотности в материале. Взаимосвязь между этими состояниями не ясна: некоторые исследования предполагают, что полосы заряда способствуют сверхпроводимости, а другие предполагают, что они конкурируют с ней.
Для своего 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 отдельными виртуальными атомами, расположенными в каждом из пересечений, где встречаются провода. Каждый из этих виртуальных атомов может вмещать не более двух электронов, которые могут свободно прыгать или прыгать - либо к своим непосредственным соседям в квадратной решетке, либо по диагонали через каждый квадрат.
Когда исследователи использовали DMRG для имитации модели Хаббарда применительно к этой системе, они обнаружили, что изменения в схемах прыжков электронов оказывают заметное влияние на взаимосвязь между полосками заряда и сверхпроводимостью.
Когда электроны перескакивали только к своим непосредственным соседям по квадратной решетке, картина зарядовых полос становилась сильнее, и сверхпроводящее состояние никогда не возникало. Когда электронам позволили прыгать по диагонали, зарядовые полосы в конце концов ослабли, но не исчезли, и в конце концов возникло сверхпроводящее состояние.
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 самом низком энергетическом состоянии. Теперь мы знаем, что они сосуществуют, по крайней мере, для систем такого размера, - сказал Деверо.
До сих пор остается открытым вопрос, описывает ли модель Хаббарда все невероятно сложное поведение настоящих купратов, добавил он. Даже небольшое увеличение сложности системы потребует огромного скачка мощности алгоритма, используемого для ее моделирования. «Время, необходимое для моделирования, увеличивается в геометрической прогрессии с увеличением размера изучаемой системы», - сказал Деверо. «Это экспоненциально сложнее и требовательнее».
Но с этими результатами, сказал он, «Теперь у нас есть полностью взаимодействующая модель, которая описывает высокотемпературную сверхпроводимость, по крайней мере, для систем тех размеров, которые мы можем изучать, и это большой шаг вперед».