Stel je telefoons en laptops voor die nooit warm worden of elektriciteitsnetten die nooit energie verliezen. Dit is de droom van wetenschappers die werken met zogenaamde hoge-temperatuur-supergeleiders, die moeiteloos elektrische stromen kan geleiden zonder weerstand. De eerste supergeleidende materialen op hoge temperatuur, genaamd cuprates, werden in de jaren tachtig ontdekt en zouden later het onderwerp zijn van een Nobelprijs. De term 'hoge temperatuur' is relatief:deze materialen werken bij ijzige temperaturen tot min 135 graden Celsius, een beetje hoger dan hun traditionele tegenhangers, die werken bij nog koudere temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt (min 273 graden Celsius).

Ondanks het feit dat drie decennia geleden hoge-temperatuur-supergeleiders werden ontdekt, onderzoekers krabben nog steeds hun hoofd over hoe de materialen werken. Wetenschappers weten dat het antwoord te maken heeft met elektronen die in paren aan elkaar plakken, als aan elkaar gelijmd, maar de aard van de elektronen "lijm" die hen bindt is onbekend. Het lokaliseren van de lijm zou uiteindelijk kunnen leiden tot de creatie van supergeleidende materialen op kamertemperatuur en de weg vrijmaken voor energiebesparende computers en tal van andere innovaties, zoals zwevende treinen.

Caltech's Granaat Chan, Bren hoogleraar scheikunde, probeert het probleem op te lossen met een iets andere benadering:kwantumchemie. Hij en zijn collega's ontwikkelen numerieke simulaties die, met behulp van de vergelijkingen van de kwantummechanica, de vloeiende bewegingen van elektronen in verschillende materialen in kaart brengen. In een nieuw artikel in het tijdschrift Wetenschap , ze hebben aangetoond dat supergeleidende materialen bij hoge temperaturen zichzelf ordenen in een gestreept patroon van ladingen - wat Chan en collega's 'ladingsrivieren' noemen - net voordat ze supergeleidend worden. Door ongelooflijk nauwkeurige numerieke simulaties uit te voeren, Chan en zijn medewerkers waren in staat om alle andere kandidaat-aanklachten uit te sluiten ten gunste van de gestreepte staat.

Ze onderzochten verder wat er gebeurt als de strepen samengedrukt worden, een scenario dat waarschijnlijk zal optreden uit de natuurlijke fluctuaties van de patronen, en ontdekte dat de elektronen spontaan gepaard gingen. Met andere woorden, de rivieren van lading zijn nauw verwant aan de lang gezochte elektronenlijm. Deze bevinding vormt een belangrijke aanwijzing in de race om het probleem van supergeleiding bij hoge temperaturen op te lossen.

"Ik hou van problemen waar mensen al tientallen jaren hun hoofd op stoten, en ik denk dat veel wetenschappers het erover eens zijn dat supergeleiding bij hoge temperaturen waarschijnlijk een van de meest verbijsterende fenomenen is die in materialen worden waargenomen, ", zegt Chan. "Hoewel de mogelijkheid voor gestreept gedrag al eerder was geopperd, het was slechts een van de vele kandidaat-concurrerende patronen. Verder, mensen hadden geen idee of zulke strepen goed waren voor supergeleiding of in feite de supergeleidende toestand doodden. Onze resultaten laten niet alleen zien dat strepen echt zijn, maar dat ze een intieme verbinding hebben met hoe supergeleiding ontstaat."

In de nieuwe studie Chan en medewerkers van meerdere instellingen gebruikten vier zeer verschillende soorten numerieke methoden om supergeleidende materialen bij hoge temperatuur te simuleren. In het algemeen, wetenschappers beschrijven deze materialen met behulp van het Hubbard-model, een in de jaren zestig ontwikkeld wiskundig model dat het elektronische gedrag van veel materialen verklaart, met name materialen die supergeleiding bij hoge temperaturen vertonen. Hoewel de vergelijkingen van het Hubbard-model relatief eenvoudig zijn, om ze op te lossen voor het gedrag van de elektronen is rekenkracht nodig. Dat is waar de nieuwe numerieke methoden hielpen:ze voorspelden hoe de elektronen in de materialen zijn georganiseerd met verbeterde precisie, en ze toonden aan dat de ladingen zich spontaan organiseren in de gestreepte patronen.

"We hebben een definitieve numerieke oplossing geboden voor een van de belangrijkste modellen in de fysica van de gecondenseerde materie, die sterke verbindingen heeft met supergeleiding op hoge temperatuur, " zegt Bo-Xiao Zheng, hoofdauteur van de studie en voormalig promovendus bij Caltech en Princeton. "Bovendien, we gebruikten vier onafhankelijke numerieke simulaties om tot dezelfde conclusie te komen - een noodzakelijke kruiscontrole gezien het complexe gedrag dat mogelijk is in deze materialen."

"Dit plaatst een belangrijk stukje in de puzzel van hoe supergeleiders bij hoge temperaturen werken, " zegt Chan. "Op zijn beurt, dit geeft optimisme dat een volledig begrip op een dag mogelijk zal zijn."