Kvantový průlom vrhá světlo na záhadné vysokoteplotní supravodiče

Vysokorychlostní vlaky, bezztrátový přenos energie na dlouhé vzdálenosti, rychlejší přístroje MRI – všechny tyto fantastické technologické pokroky bychom mohli mít na dosah, kdybychom dokázali vyrobit materiál, který vede elektřinu bez odporu – neboli „supravodiče“ – při téměř pokojové teplotě.

V papíru zveřejněno v vědyVýzkumníci oznámili velký pokrok v našem chápání původu supravodivosti při relativně vysokých (i když stále velmi nízkých) teplotách. Výsledky se týkají třídy supravodičů, které vědce mate od roku 1986, nazývaných kupráty.

„Když byly objeveny měděné supravodiče, bylo to obrovské vzrušení [in 1986]“Ale nerozumíme tomu, proč zůstávají supravodivé při těchto vysokých teplotách,“ říká Xu Zhang, vedoucí vědecký pracovník Centra pro výpočetní kvantovou fyziku (CCQ) Flatiron Institute. „Myslím, že je pro každého překvapivé, že téměř o 40 let později stále plně nerozumím tomu, proč dělají to, co dělají.“

V novém článku Zhang a jeho kolegové úspěšně obnovili supravodivé vlastnosti mědi pomocí jednoduchého modelu zvaného 2D Hubbardův model, který s materiálem zachází, jako by to byly elektrony pohybující se po kvantové šachovnici. Tento průlom přichází jen několik let poté, co titíž výzkumníci předvedli nejjednodušší verzi tohoto modelu nemohl provést takový výkon. Takové přímé modely by mohly podnítit hlubší pochopení fyziky, říká spoluautor studie Ulrich Schulwock, profesor na univerzitě v Mnichově.

„Fyzikální myšlenkou je udržet model co nejjednodušší, protože je sám o sobě dostatečně obtížný,“ říká Shuluk. „Takže jsme nejprve studovali nejjednodušší verzi, kterou si lze představit.“

V nové studii vědci přidali do Hubbardova 2D modelu schopnost elektronů dělat diagonální skoky, jako biskupové v šachové hře. Pomocí této modifikace a tisíců týdnů simulací na superpočítačích byl model výzkumníků schopen zachytit supravodivost a několik dalších klíčových vlastností mědi, které byly dříve nalezeny v experimentech. Tím, že autoři ukázali, že Hubbardův skromný model může popsat supravodivost mědi, demonstrují jeho hodnotu jako platformy pro pochopení, proč a jak supravodivost vzniká.

Po většinu minulého století si fyzici mysleli, že pochopili, proč jsou některé materiály supravodivé. Věřili, že supravodivost existuje pouze při extrémně nízkých teplotách pod minus 243 stupňů Celsia (asi 30 stupňů nad absolutní nulou). Tyto nízké teploty vyžadují nákladné chladicí systémy, které využívají kapalné helium.

Když byly v roce 1986 objeveny kupráty, šokovaly svět vědy tím, že poskytovaly supravodivost při mnohem vyšších teplotách. V polovině 90. let vědci objevili mědi, které zůstaly supravodivé až do minus 123 stupňů Celsia (asi 150 stupňů nad absolutní nulou). Těchto teplot lze dosáhnout použitím relativně levného kapalného dusíku.

Kupráty si můžete představit jako lasagne vrstev oxidu měďnatého, které se střídají s vrstvami jiných iontů. (Název „cuprate“ pochází z latinského slova pro měď.) Supravodivost vzniká, když elektřina proudí bez jakéhokoli odporu vrstvami oxidu mědi. Nejjednodušší verze Hubbardova 2D modelu používá pouze dva pojmy k zobrazení každé vrstvy jako šachovnice, kde mohou elektrony přeskakovat na sever, jih, východ a západ.

„Když jsem v počátcích vysokoteplotní supravodivosti začal pracovat na Hubbardově modelu, mysleli jsme si, že jakmile budeme mít čistý model simulovaný na malé šachovnici, plně pochopíme supravodivost,“ říká spoluautor studie Stephen White. „, profesor na University of California, Irvine. „Ale jak jsme vyvíjeli techniky, zjistili jsme, že Hubbardův model je mnohem složitější, než jsme si mysleli.“

Kvantová mechanika vytváří tuto složitost: vrstvy jsou obývány elektrony, každá s rotací nahoru nebo dolů. Elektrony se mohou zamotat. Toto zapletení znamená, že elektrony nelze zpracovávat odděleně, i když jsou daleko od sebe, takže je velmi obtížné je simulovat na počítači.

„Ačkoli lze Hubbardův model napsat jako rovnici, která zabere pouze jeden nebo dva řádky textu, protože je aplikován na stovky atomů interagujících prostřednictvím podivných zákonů kvantové mechaniky, lze jej simulovat na velkém počítači o velikosti Země. .“ „Po tisíce let jsme stále nebyli schopni získat správné odpovědi,“ říká White.

K řešení této úrovně složitosti jsou zapotřebí zkratky a takové zkratky jsou výsadou výzkumníků. V 90. letech White a Zhang samostatně vyvinuli nyní známé techniky, které dramaticky zkracují výpočetní čas. Aby se vědci vypořádali s velmi složitým vzorem, který pochází z přidání diagonálního skoku, spojili tyto dvě techniky. Jedna technika tvrdí, že elektrony jsou spíše částice; Druhý zdůrazňuje jeho vlnovou strukturu.

„Důležitá věc na této kombinaci je, že jeden je silný a druhý slabý,“ říká Shuluk. „Můžeme si podat ruku v určité oblasti, kde každá funguje, ověřit jednu metodu pomocí druhé a pak prozkoumat neznámo, kde funguje pouze jedna.“ Takový přístup založený na spolupráci a mnoha metodách je dědictvím Simonsovy spolupráce na problému více elektronů, která zahrnovala několik vědců CCQ, říká.

Kromě kvantově mechanických pravidel pohybu ovlivňuje fyziku modelu počet elektronů na šachovnici. Fyzici po mnoho let věděli, že když je na desce stejný počet elektronů jako mezer, elektrony tvoří pevný šachovnicový vzor střídavých rotací nahoru a dolů. Toto nastavení není supravodivé, ve skutečnosti není vůbec vodivé. Kupráty proto vyžadují změnu počtu elektronů.

V předchozí práci Zhanga a kolegů používajících nejjednodušší Hubbardův model přidání nebo odstranění elektronů nevedlo k supravodivosti. Místo toho se stabilní šachovnice proměnila v pruhovaný vzor s čarami skládajícími se buď z čar s elektrony navíc, nebo z čar s dírami po odstraněných elektronech.

Když však vědci přidali do Hubbardova modelu faktor diagonálního skoku, čáry se zaplnily jen částečně a objevila se supravodivost. Navíc výsledky téměř odpovídaly experimentálním výsledkům ohledně vlastností mědi.

„Konkurují vedení striktně supravodivosti, nebo supravodivost způsobují, nebo je to něco mezi?“ ptá se White. „Současná odpověď je něco mezi tím a je složitější než jakákoli jiná odpověď.“

Zhang říká, že výzkum demonstruje pokračující význačnost Hubbardova modelu a „klasických“ výpočtů, tedy vývoj technik a algoritmů, které lépe využívají běžné počítače než čekání na kvantové počítače.

„Po více než 30 letech intenzivního komunitního úsilí bez mnoha spolehlivých odpovědí se často říká, že řešení Hubbardova modelu musí počkat, až se objeví kvantový počítač,“ říká Zhang. „Toto úsilí nejen posouvá výzkum v oblasti vysokoteplotní supravodivosti, ale také doufáme, že podnítí další výzkum využívající „klasické“ výpočty k prozkoumání zázraků kvantového světa.“