量子冲突揭示了令东谈主困惑的高温超导体
发布日期：2024-05-27 11:32 点击次数：201
该图露馅了电子（不错具有上旋或下旋）如安在哈伯德模子中酿成条纹图案。该模子最近的冲突性盘算推算正在匡助科学家更好地清爽一类称为铜酸盐的高温超导体。图片着手：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation超高速悬浮列车、良友无损电力传输、更快的MRI机器——要是咱们能制造出一种在室温下无阻力地传输电力或“超导”的材料，悉数这些奇妙的技能晋升齐可能垂手而得。在发表在《科学》杂志上的一篇论文中，盘考东谈主员讲明说，在相对较高（尽管仍然凉爽）的温度下，咱们对超导发祥的清爽取得了冲突。这些发现触及一类自1986年以来一直困扰着科学家的超导体，称为“铜酸盐”。“当铜酸盐超导体被发当前（1986年），东谈主们极度忻悦，但不知谈为什么它们在如斯高的温度下仍然保持超导性，”熨斗盘考所盘算推算量子物理中心（CCQ）的高档盘考科学家Shiwei Zhang说。“我合计每个东谈主齐感到惊诧的是，快要40年后，咱们仍然不太显明他们为什么要作念他们所作念的事情。在这篇新论文中，Zhang和他的共事们用一种称为二维哈伯德模子的浮浅模子收效地重建了铜酸盐超导性的特征，该模子将材料视为在量子棋盘上移动的电子。这一冲突是在合并批盘考东谈主员讲明该模子的最浮浅版块无法完成这么的豪举之后的几年。这种浮浅的模子不错激勉对物理学的更久了清爽，该盘考的合著者、慕尼黑大学教练乌尔里希·肖尔沃克（Ulrich Schollwöck）说。“物理学的念念法是让模子尽可能浮浅，因为它自身就弥散艰难了，”Schollwöck说。“是以一运转咱们盘考了不错念念象到的最浮浅的版块。在这项新盘选取，盘考东谈主员在2D Hubbard模子中增多了电子进行对角线跨越的智商，就像国外象棋中的主教相似。通过这种迂曲和在超等盘算推算机上长达数千周的模拟，盘考东谈主员的模子拿获了先前在履行中发现的铜酸盐的超导性和其他几个关节特征。通过讲明不起眼的哈伯德模子不错描摹铜酸盐超导性，作家讲明了它当作清爽超导性出现的原因和形状的平台的价值。在上个世纪的大部分时代里，物理学家合计他们清爽为什么有些材料是超导的。他们合计超导性只存在于零下约243摄氏度（十足零度以上约30度）的极低温度下。如斯低的温度需要使用液氦的奋发冷却系统。当铜酸盐在1986年被发当前，它们在更高的温度下超导，惊骇了科学界。到 1990 年代中期，科学家们发现了在零下 123 摄氏度（十足零度以上约 150 度）下保持超导的铜酸盐。使用相对低廉的液氮不错达到这么的温度。您不错将铜酸盐念念象成氧化铜层与其他离子层轮流的千层面。（“铜酸盐”这个名字来自拉丁语中的铜。当电流无阻力地流过氧化铜层时，就会产生超导性。2D Hubbard模子的最浮浅版块仅使用两个术语将每一层描述成一个棋盘，电子不错在其中向北，向南，向东和向西跨越。“当我在高温超导的早期运转盘考哈伯德模子时，咱们合计一朝咱们在一个小'棋盘'上模拟了纯模子，咱们就会完全清爽超导性，”该盘考的合著者、加州大学欧文分校教练史蒂文怀特说。“但跟着咱们开发这些技能，咱们发现哈伯德模子比咱们念念象的要复杂得多。量子力学创造了这种复杂性：这些层居住着电子，每个电子齐有进取或向下的自旋。电子不错纠缠在全部。这种纠缠意味着即使相距很远，电子也无法单并立理，这使得它们在盘算推算机上模拟变得极度艰难。新的盘考使用二维哈伯德模子来盘考一类称为铜酸盐的材料中超导性的出现。该模子将材料视为在量子棋盘上移动的电子，每个电子齐具有进取或向下的自旋。当棋盘上的电子数与空间相易期，系统酿成棋盘图案况兼不导电。添加电子（在称为电子掺杂的经过中）或去除电子（在去除的电子留住的空位后称为空穴掺杂的经过中）会导致不同进度的超导性（上图）。下图露馅了三种推崇出超导性的气象的电子密度或空穴密度以及自旋模式。第一种情况（a）露馅了一种反铁磁图案，雷同于高下轮流旋转的棋盘图案。第二种（b）和第三种（c）气象露馅了自旋和空穴密度变化的条纹模式。图片着手：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation“固然哈伯德模子不错写成一个方程，只需要一两行翰墨，因为它被应用于数百个原子通过量子力学的奇怪定律互相作用，东谈主们不错在像地球相似大的盘算推算机上模拟它数千年，但仍然无法取得正确的谜底。“怀特说。需要捷径来处理这种复杂进度，而这种捷径是盘考东谈主员的专长。在 90 年代，White 和 Zhang 分离开发了面前著名的技能，这些技能将盘算推算时代呈指数级裁汰。为了处理添加对角线跨越所产生的极其复杂的模子，盘考东谈主员将这两种技能说合起来。一种技能合计电子更像是粒子;另一个强调它们的海潮状结构。“这种组合的最大特色是，一个很强，而另一个很弱，”Schollwöck说。“咱们不错在他们俩齐起作用的某个区域进行'合手手'，使用另一种神色讲明一种神色，然后探索独一其中一种神色起作用的未知领域。他说，这种和谐的多神色神色是西蒙斯多电子问题合作组织的遗产，其中包括好多CCQ科学家。除了畅通的量子力学端正外，棋盘上的电子数目也会影响模子的物理脾气。多年来，物理学家也曾知谈，当电子数目与棋盘上的空间相易期，电子会酿成轮流高下自旋的踏实棋盘图案。这种开辟不是超导的——事实上，它根底不是导电的。因此，铜酸盐需要编削电子数。在Zhang和他的共事使用最浮浅的Hubbard模子的早期使命中，添加或删除电子不会导致超导性。拔帜树帜的是，踏实的棋盘变成了条纹图案，条纹由带有独特电子的线或带有被移除的电子留住的孔的线构成。筹议词，当盘考东谈主员将对角线跨越因子添加到哈伯德模子中时，条纹仅部分填充，况兼出现了超导性。此外，遵守与铜酸盐性质的履行遵守大概相符。“条纹是严格地与超导性竞争，如故它们导致了超导性，或者介于两者之间？”怀特问谈。“面前的谜底介于两者之间，比其他任何一个谜底齐更复杂。张说，这篇论文讲明了哈伯德模子和“经典”盘算推算的赓续裂缝性，即开发更好地欺诈惯例盘算推算机而不是恭候量子盘算推算机的技能和算法。“经过社区30多年的不懈勤劳，莫得好多可靠的谜底，东谈主们时常合计，搞定哈伯德模子将不得不恭候量子盘算推算机，”张说。“这项使命不仅将股东高温超导的盘考，而且还有望刺激更多使用'经典'盘算推算来探索量子宇宙的遗址的盘考。更多信息：Hao Xu 等东谈主，Hubbard 模子中超导性与部分填充条纹的共存，《科学》（2024 年）。DOI： 10.1126/science.adh7691期刊信息： Science
