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科学家终于找到了他们数十年来一直在寻找的超导性

斯坦福大学和能源部的SLAC国家加速器实验室的研究人员说,他们发现了第一个长期的证据,即可以使用已有数十年历史的材料行为科学模型来模拟和理解高温超导性,这是迈向重要的一步随意产生和控制这种令人困惑的现象。

他们运行的模拟结果发表在《科学》杂志上,表明研究人员也许可以通过调节化学性质,使电子在一个特定的模式下从一个原子跳到另一个原子,从而开启或关闭铜基材料(称为铜酸盐)中的超导性。原子斜穿过街道而不是隔壁。

该研究的合著者,斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)主任托马斯·德弗罗(Thomas Devereaux)说:“您想知道的最大事情是如何使超导体在更高的温度下工作以及如何使超导性更坚固。”“这是找到可以转动的旋钮以使天平朝自己有利的方向倾斜。”

他说,这样做的最大障碍是缺乏描述这种超导电性的模型(一种系统行为的数学表示),该模型在1986年的发现提出了希望,有朝一日可以无电地传输电高效电源线和磁悬浮列车的损耗。

SIMES的科学家,该论文的合著者姜洪晨说,虽然科学家们认为数十年来用来表示多种材料中电子行为的哈伯德模型可能适用于铜酸盐高温超导体,但直到现在还没有证据。报告。

“这是该领域尚未解决的主要问题-哈伯德模型是描述铜酸盐中的高温超导性,还是缺少某些关键成分?”他说。“由于这些材料中存在许多竞争状态,因此我们必须依靠无偏仿真来回答这些问题,但是计算问题非常困难,因此进展缓慢。”

量子材料的众多面孔

为什么这么难?

尽管许多材料的行为都非常可预测-铜始终是金属,而当您炸开磁铁时,钻头仍然具有磁性-高温超导体是量子材料,电子在其中协同作用以产生出乎意料的特性。在这种情况下,它们配对以在比建立的超导理论可以解释的更高的温度下无电阻或无损耗地导电。

Devereaux说,与普通材料不同,量子材料可以同时容纳多个相或物质状态。例如,量子材料在一组条件下可能是金属,但在稍微不同的条件下绝缘。例如,科学家可以通过修补材料的化学性质或电子的移动方式来平衡各相之间的平衡,目标是有意地做到这一点,以创建具有有用特性的新材料。

用于模拟这种情况的最强大的算法之一就是密度矩阵重归一化组(DMRG)。但是,由于这些共存阶段是如此复杂,因此使用DMRG模拟它们需要大量的计算时间和内存,并且通常需要相当长的时间。

为了减少计算时间并达到比以前更深入的分析水平,Jiang寻找了优化模拟细节的方法。他说:“我们必须仔细简化每个步骤,使之尽可能高效,甚至找到同时完成两项独立工作的方法。”这些效率使团队能够比以前更快地运行Hubbard模型的DMRG仿真,在斯坦福的Sherlock计算集群和SLAC园区的其他设施中大约需要一年的计算时间。

跳跃电子邻居

这项研究的重点是已知在铜酸盐中存在的两相之间的微妙相互作用-高温超导性和电荷条带,就像材料中电子密度更高和更低的波形一样。这些状态之间的关系尚不清楚,有研究表明电荷条纹可促进超导性,而另一些研究表明电荷条纹可与之竞争。

为了进行分析,Jiang和Devereaux在方形格子上创建了一个铜版的虚拟版本,例如带有方形孔的铁丝网。铜和氧原子仅限于实际材料中的平面,但在虚拟版本中,它们变成单个虚拟原子,它们位于导线相遇的每个交叉点。这些虚拟原子中的每个原子最多可以容纳两个自由跳跃或跳跃的电子-可以直达其相邻的方格,也可以对角跨越每个方格。

当研究人员使用DMRG模拟应用于该系统的Hubbard模型时,他们发现电子跳跃模式的变化对电荷条纹和超导电性之间的关系产生了显着影响。

当电子仅跳到正方形晶格上的它们的近邻时,电荷条纹的图案变得更强,并且超导状态永远不会出现。当电子被允许沿对角线跳跃时,电荷条纹最终减弱,但没有消失,超导状态最终出现。

Devereaux说:“直到现在,我们仍无法在模型中进行足够深入的研究,以查看这种材料处于最低能量状态时电荷条纹和超导性是否可以共存。现在我们知道,至少对于这种尺寸的系统,它们可以并存。”

他补充说,哈伯德模型是否描述了真实汇率的​​所有令人难以置信的复杂行为,仍然是一个悬而未决的问题。即使系统复杂性的微小增加,也将要求用于建模的算法的功能发生巨大飞跃。Devereaux说:“进行仿真所需的时间随着要研究的系统宽度的增加而呈指数增长。”“这要复杂得多且要求更高。”

他说,但是有了这些结果,“我们现在有了一个描述高温超导的完全相互作用的模型,至少对于我们可以研究的尺寸的系统而言,这是向前迈出的一大步。”

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