Kuantum Gizemi Çözüldü – Bilim adamları şaşırtıcı yüksek sıcaklık süper iletkenlerine ışık tuttu

Flatiron Enstitüsü kıdemli araştırma bilimcisi Xu Zhang ve ekibi, Hubbard’ın modelini kullanarak, onlarca yıldır bilim adamlarını şaşırtan, kap adı verilen malzemelerdeki süperiletkenliğin temel özelliklerini hesaplamalı olarak yeniden yarattı.

Yüksek hızlı uçan trenler, enerji kaybı olmadan uzun mesafeli güç aktarımı, daha hızlı MRI tarayıcıları; tüm bu şaşırtıcı teknolojik yeniliklere, eğer elektriği herhangi bir direnç olmadan ileten bir malzeme veya belirli bir sıcaklıkta “süper iletkenler” geliştirebilirsek ulaşılabilir olabilir. Oda yaklaşık.

Yakın zamanda dergide yayınlanan bir makalede BilimlerAraştırmacılar, nispeten yüksek (yine de çok soğuk) sıcaklıklarda süperiletkenliğin kökenlerine ilişkin anlayışımızda büyük ilerlemeler olduğunu duyurdular. Sonuçlar, 1986’dan bu yana bilim adamlarını şaşırtan, kuprat adı verilen bir süper iletken sınıfıyla ilgilidir.

“Bakır süperiletkenler keşfedildiğinde büyük bir heyecan yaşandı [in 1986]Flatiron Enstitüsü’nün Hesaplamalı Kuantum Fiziği Merkezi’nde (CCQ) kıdemli bir araştırma bilimcisi olan Xu Zhang, “Neredeyse 40 yıl sonra, yaptıklarını neden yaptıklarını hala tam olarak anlamamış olmamızın herkes için şaşırtıcı olduğunu düşünüyorum” diyor.

Yukarı veya aşağı dönüşe sahip olabilen elektronların Hubbard modelinde nasıl çizgili bir desen oluşturduğunu gösteren çizim. Bu modeli kullanan son ileri düzey hesaplamalar, bilim adamlarının kuprat adı verilen bir yüksek sıcaklık süperiletken sınıfını daha iyi anlamalarına yardımcı oluyor. Kredi bilgileri: Lucy Reading-Ekanda/Simmons Vakfı

Yeni makalede, Zhang ve meslektaşları, malzemeyi kuantum satranç tahtası etrafında hareket eden elektronlarmış gibi ele alan, 2D Hubbard modeli adı verilen basit bir modeli kullanarak bakırların süperiletkenlik özelliklerini başarılı bir şekilde yeniden yaratıyorlar. Bu atılım, aynı araştırmacıların bu modelin en basit versiyonunu göstermesinden yalnızca birkaç yıl sonra gerçekleşti. böyle bir başarıyı gerçekleştiremedim. Çalışmanın yazarlarından Münih Üniversitesi’nde profesör olan Ulrich Schulwock, bu tür doğrudan modellerin fizik konusunda daha derin bir anlayışa yol açabileceğini söylüyor.

Shuluk, “Fizikteki fikir, modeli mümkün olduğu kadar basit tutmaktır çünkü kendisi yeterince zordur” diyor. “Bu yüzden ilk önce akla gelebilecek en basit versiyonu inceledik.”

Hubbard’ın modelindeki iyileştirmeler

Yeni çalışmada araştırmacılar, Hubbard’ın 2 boyutlu modeline elektronların satranç oyunundaki fillerin yaptığı gibi çapraz sıçramalar yapma yeteneğini eklediler. Bu modifikasyonu ve süper bilgisayarlar üzerinde binlerce hafta süren simülasyonları kullanan araştırmacıların modeli, daha önce deneylerde bulunan bakırın süperiletkenliğini ve diğer bazı temel özelliklerini yakalamayı başardı. Yazarlar, Hubbard’ın mütevazı modelinin bakırların süperiletkenliğini tanımlayabildiğini göstererek, bunun süperiletkenliğin neden ve nasıl ortaya çıktığını anlamak için bir platform olarak değerini ortaya koyuyorlar.

Geçen yüzyılın büyük bölümünde fizikçiler bazı malzemelerin neden süperiletken olduğunu anladıklarını düşünüyorlardı. Süperiletkenliğin yalnızca sıfırın altında 243 derecenin altındaki aşırı düşük sıcaklıklarda var olduğuna inanıyorlardı. santigrat (yaklaşık 30 derece yukarıda Tamamen sıfır). Bu düşük sıcaklıklar, sıvı helyum kullanan pahalı soğutma sistemleri gerektirir.

Yeni araştırma, kuprat adı verilen bir malzeme sınıfında süperiletkenliğin ortaya çıkışını incelemek için Hubbard’ın iki boyutlu modelini kullanıyor. Model, malzemeleri, her elektronun yukarı veya aşağı dönüşe sahip olduğu bir kuantum satranç tahtası etrafında hareket eden elektronlar gibi ele alıyor. Dama tahtasındaki elektron sayısıyla aynı sayıda elektron olduğunda, sistem bir dama tahtası deseni oluşturur ve iletken değildir. Elektronların eklenmesi (elektron aşılanması adı verilen bir işlemde) veya bunların çıkarılması (çıkarılan elektronların bıraktığı boş konumlardan sonra delik aşılama adı verilen bir işlemde) farklı seviyelerde süperiletkenlik (üst panel) ile sonuçlanır. Alttaki resimler süperiletkenliği gösteren üç senaryo için elektron yoğunluğunu veya delik yoğunluğunu ve ayrıca dönüş modellerini göstermektedir. İlk senaryo (a), dönüşümlü yukarı ve aşağı dönüşlerin antiferromanyetik dama tahtası benzeri bir modelini göstermektedir. İkinci (b) ve üçüncü (c) senaryolar, dönüş ve delik yoğunluğu değişimlerinin bant desenlerini göstermektedir. Kredi bilgileri: Lucy Reading-Ekanda/Simmons Vakfı

Kupratlar 1986 yılında keşfedildiğinde çok daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik sağlayarak bilim dünyasını şok etmişti. 1990’ların ortalarında bilim insanları eksi 123 santigrat dereceye (mutlak sıfırın yaklaşık 150 derece üstü) kadar süper iletken kalan bakırları keşfettiler. Bu sıcaklıklara nispeten ucuz sıvı nitrojen kullanılarak ulaşılabilir.

Kupratları, diğer iyon katmanlarıyla dönüşümlü olarak bakır oksit katmanlarından oluşan bir lazanya olarak düşünebilirsiniz. (“Kuprat” adı Latince bakır kelimesinden gelir.) Süperiletkenlik, elektriğin bakır oksit katmanlarından herhangi bir direnç olmadan akması sonucu ortaya çıkar. Hubbard’ın 2 boyutlu modelinin en basit versiyonu, her katmanı elektronların kuzeye, güneye, doğuya ve batıya sıçrayabileceği bir dama tahtası olarak tasvir etmek için yalnızca iki terim kullanıyor.

Karmaşıklık ve hesaplama zorlukları

Çalışmanın yazarlarından Stephen White, “Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin ilk günlerinde Hubbard modeli üzerinde çalışmaya başladığımda, saf modeli küçük bir ‘satranç tahtası’ üzerinde simüle ettiğimizde süperiletkenliği tam olarak anlayacağımızı düşündük” diyor. . “, Irvine’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden bir profesör. “Fakat teknikleri geliştirdikçe Hubbard’ın modelinin düşündüğümüzden çok daha karmaşık olduğunu gördük.”

Kuantum mekaniği bu karmaşıklığı yaratır: Katmanlarda her biri yukarı veya aşağı dönüşe sahip elektronlar bulunur. Elektronlar dolaşık hale gelebilir. Bu dolaşıklık, elektronların birbirlerinden çok uzakta olsalar bile ayrı ayrı ele alınamayacağı anlamına geliyor ve bu da onların bilgisayarda simüle edilmesini çok zorlaştırıyor.

“Hubbard’ın modeli yalnızca bir veya iki satırlık metin alan bir denklem olarak yazılabilse de, kuantum mekaniğinin garip yasalarıyla etkileşime giren yüzlerce atoma uygulandığı için, bunun Dünya kadar büyük bir bilgisayarda simüle edilmesi mümkün. ” White, “Binlerce yıldır hâlâ doğru yanıtları alamadık” diyor.

Bu seviyedeki karmaşıklığın üstesinden gelmek için kısayollara ihtiyaç vardır ve bu tür kısayollar araştırmacıların uzmanlık alanıdır. 1990’larda White ve Zhang, bilgisayar süresini önemli ölçüde azaltan, günümüzde ünlü olan teknikleri ayrı ayrı geliştirdiler. Çapraz atlamanın eklenmesinden kaynaklanan çok karmaşık modelin üstesinden gelmek için araştırmacılar bu iki tekniği birleştirdi. Bir teknik, elektronların daha çok parçacıklara benzediğini öne sürüyor; Diğeri dalga yapısını vurguluyor.

Shuluk, “Bu kombinasyonda önemli olan, birinin güçlü, diğerinin zayıf olmasıdır” diyor. “Her birinin çalıştığı belirli bir alanda ‘el sıkışma’ yapabilir, bir yöntemi diğerini kullanarak doğrulayabilir ve ardından yalnızca birinin çalıştığı yerde bilinmeyeni keşfedebiliriz.” Böyle işbirlikçi, çok yöntemli bir yaklaşımın, Simons’un çoklu elektron sorunu üzerine yaptığı ve birkaç CCQ bilim insanının da dahil olduğu işbirliğinin mirası olduğunu söylüyor.

Kuantum mekaniğinin hareket kurallarının yanı sıra satranç tahtasındaki elektron sayısı da modelin fiziğini etkiler. Fizikçiler, tahtadaki boşluk sayısıyla aynı sayıda elektron olduğunda, elektronların değişen yukarı ve aşağı dönüşlerden oluşan sabit bir dama tahtası deseni oluşturduğunu yıllardır biliyorlardı. Bu düzen süperiletken değildir; aslında hiç iletken değildir. Bu nedenle kupratlar elektron sayısında bir değişiklik gerektirir.

Zhang ve meslektaşlarının en basit Hubbard modelini kullanan önceki çalışmalarında, elektron eklemek veya çıkarmak süperiletkenliğe yol açmıyordu. Bunun yerine, kararlı dama tahtası, ya fazladan elektron içeren çizgilerden ya da çıkarılan elektronların bıraktığı deliklerin bulunduğu çizgilerden oluşan çizgilerden oluşan çizgili bir desene dönüştü.

Ancak araştırmacılar Hubbard’ın modeline çapraz sıçrama faktörünü eklediğinde çizgiler yalnızca kısmen doldu ve süperiletkenlik ortaya çıktı. Üstelik sonuçlar bakırın özelliklerine ilişkin deneysel sonuçlarla neredeyse eşleşiyordu.

“Çizgiler süperiletkenlikle sıkı bir şekilde yarışıyor mu, yoksa süperiletkenliğe mi neden oluyor, yoksa arada bir şey mi var?” Beyaz soruyor. “Şu anki cevap ikisinin arasında bir şey ve diğer cevapların hepsinden daha karmaşık.”

Zhang, araştırmanın Hubbard modelinin ve “klasik” bilgi işlemin ortaya çıkmaya devam ettiğini, yani kuantum bilgisayarları beklemek yerine normal bilgisayarları daha iyi kullanan tekniklerin ve algoritmaların gelişimini gösterdiğini söylüyor.

Zhang, “30 yıldan fazla süren yoğun topluluk çabalarından ve pek çok güvenilir yanıtın bulunmamasından sonra, Hubbard modeline yönelik bir çözümün kuantum bilgisayarını beklemek zorunda kalacağı sıklıkla söyleniyor” diyor. “Bu çaba yalnızca yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik alanındaki araştırmaları ilerletmekle kalmayacak, aynı zamanda kuantum dünyasının harikalarını keşfetmek için ‘klasik’ hesaplamayı kullanan daha fazla araştırmayı teşvik edeceğini umuyoruz.”

Referans: Hao Xu, Chia-Min Chung, Mingpu Qin, Ulrich Schollwöck, Steven R. White ve Shiwei Zhang, 10 Mayıs 2024, “Hubbard modelinde süperiletkenliğin ve kısmen dolu çizgilerin bir arada bulunması”, Bilimler.
doi: 10.1126/science.adh7691