SLAC和Stanford的计算机模拟表明了一种在铜基材料上转动超导和关闭的方法：调整材料的化学方法，使电子从原子跳到特定模式中的原子 - 仿佛跳到街道上对角线而不是下一扇门的原子。这种模拟原子网格示出了这个想法。铜原子呈橙色，氧原子是红色的，电子是蓝色的。
斯坦福大学的研究人员和能源部的SLAC国家加速器实验室表示，他们已经找到了第一个长期寻求的，即十年的材料行为科学模式可用于模拟和理解高温超导 - 这是一个重要的一步旨在生产和控制这种令人费解的现象。
昨日（2019年9月27日）在科学中发表的模拟表明，研究人员可以通过调整它们的化学使其在特定模式中的原子对原子中的电子跳至原子来切换称为铜酸盐的超导和脱落。 - 仿佛跳到街道上对角线而不是下一扇门。
“你想知道的大事是如何使超导体在更高的温度下运行以及如何使超导更加强大，”Slac斯坦福材料和能源科学研究所（Simes）主任Thomas Devereaux托马斯Devereaux表示。“这是关于找到旋钮，你可以转向对你有利的平衡。”
他说，这样做的最大障碍是缺乏模型 - 系统如何表现的数学表示 - 这描述了这种类型的超导，1986年的发现提出了电力可能会导致电力不损失完美高效的电源线和Maglev火车。
虽然科学家认为船站模型用于数十年来代表众多材料中的电子行为，但可能适用于铜替代的高温超导体，直到现在他们没有证据，洪辰江，一位西斯员工科学家和联合作者报告。
“这是该领域的主要未解决的问题 - 哈伯德模型是否描述了铜酸盐中的高温超导性，或者缺少一些关键成分？”他说。“因为这些材料中有许多竞争国，我们必须依靠无偏见的模拟来回答这些问题，但计算问题非常困难，因此进步缓慢。”
量子材料的许多面孔
为什么这么困难？
虽然许多材料以非常可预测的方式行事 - 铜总是金属，而当你破坏磁铁时，位仍然是磁性 - 高温超导体是量子材料，其中电子协作产生意外的性质。在这种情况下，它们配对电力，不能在高温下没有抵抗或损失，而不是建立超导性可以解释的理论。
与日常材料不同，Quantum材料可以托管许多阶段，或者物质的陈述，Devereaux表示。例如，在一组条件下，量子材料可能是金属的，但在略微不同的条件下绝缘。科学家可以通过用材料的化学或电子移动的方式来提示阶段之间的平衡，例如，例如，它的目标是以刻意的方式执行这一点，以创建具有有用特性的新材料。
一种用于建模情况的最强大的算法之一称为密度矩阵重新运行组，或DMRG。但是因为这些共存阶段非常复杂，使用DMRG模拟它们需要大量的计算时间和内存，并且通常需要很长时间，江泽民说。
为了减少计算时间并达到更深层次的分析水平之前，江江寻找优化模拟细节的方法。“我们必须仔细地精简每个步骤，”他说，“尽可能高效，甚至找到一次分开的事情。”这些效率使团队能够比以前更快地运行Hubbard模型的DMRG模拟，在斯坦福的Sherlock Computing Cluster和SLAC校园的其他设施中大约一年的计算时间。
跳跃电子邻居
该研究专注于两相之间已知存在于铜酸盐中的两相之间的细腻相互作用 - 高温超导和电荷条带，这就像材料中更高且较低的电子密度的波浪图案。这些国家之间的关系尚不清楚，有些研究表明电荷条纹促进超导性，其他人建议他们与它竞争。
为他们的分析，江和德雷佐在方形格子上创建了一款铜司的虚拟版本，如带有方形孔的钢丝栅栏。铜和氧原子被限制在真实材料中的平面，但在虚拟版本中，它们变成单个虚拟原子，坐在电线相遇的每个交叉点。这些虚拟原子中的每一个可以容纳在最多的两个电子中，这些电子可以自由跳跃或跳 - 无论是在方形格子上的直接邻居或对角线跨越每个方块。
当研究人员使用DMRG来模拟应用于该系统的船站模型时，他们发现电子的跳跃模式的变化对电荷条纹和超导性之间的关系具有显着影响。
当电子跳跃仅在正方形格子上的直接邻居时，电荷条纹的图案变得更强，并且从未出现过超导状态。当允许电子跳到对角线时，电荷条纹最终削弱，但没有消失，并且超导状态最终出现。
“直到现在我们无法在我们的建模中推高，以了解电荷条纹和超导可以在该材料处于最低能量状态时共存。现在我们知道他们确实如此，“Devereaux说。
他补充说，它仍然是一个开放的问题，无论是哈贝德模型都描述了真实铜价符的所有令人难以置信的复杂行为。即使系统的复杂性甚至大幅增加将需要巨大的飞跃，以用于模拟它的算法的功率。“使用您想要学习的系统的宽度，您所花费的模拟所花费的时间随着您想要学习的宽度，”Devereaux说。“这是令人指重的更复杂和更苛刻。”
但是，通过这些结果，他说，“我们现在具有一个完全交互的模型，描述了高温超导，至少用于我们可以学习的尺寸的系统，这是前进的一大步。”
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该研究的资金来自于Doe Science办事处。
参考：“掺杂的霍巴德模型中的超导性及其与下一最接近的′跳跃T”的洪辰江和托马斯P. Devereaux，2019年9月27日，Science.Doi：
10.1126 / science.AAL5304.
