Noordoost-onderzoekers hebben een krachtig computermodel gebruikt om een ​​raadselachtige klasse van op koper gebaseerde materialen te onderzoeken die in supergeleiders kunnen worden omgezet. Hun bevindingen bieden prikkelende aanwijzingen voor een decennia oud mysterie, en een stap voorwaarts voor quantum computing.

Het vermogen van een materiaal om elektriciteit te laten stromen, komt van de manier waarop elektronen in hun atomen zijn gerangschikt. Afhankelijk van deze afspraken, of configuraties, alle materialen die er zijn, zijn isolatoren of geleiders van elektriciteit.

Maar kopjes, een klasse van mysterieuze materialen die zijn gemaakt van koperoxiden, zijn beroemd in de wetenschappelijke gemeenschap omdat ze een identiteitsprobleem hebben dat hen zowel isolatoren als geleiders kan maken.

Onder normale omstandigheden, cuprates zijn isolatoren:materialen die de stroom van elektronen remmen. Maar met aanpassingen aan hun samenstelling, ze kunnen transformeren in 's werelds beste supergeleiders.

De ontdekking van dit soort supergeleiding in 1986 leverde de ontdekkers een Nobelprijs op in 1987, en fascineerde de wetenschappelijke gemeenschap met een wereld van mogelijkheden voor verbeteringen aan supercomputing en andere cruciale technologieën.

Maar met fascinatie kwam 30 jaar verbijstering:wetenschappers hebben de rangschikking van elektronen die codeert voor supergeleiding in cuprates niet volledig kunnen ontcijferen.

Het in kaart brengen van de elektronische configuratie van deze materialen is misschien wel een van de moeilijkste uitdagingen in de theoretische natuurkunde, zegt Arun Bansil, University Distinguished Professor in de natuurkunde aan Northeastern. En, hij zegt, omdat supergeleiding een raar fenomeen is dat alleen voorkomt bij temperaturen zo laag als -300 F (of ongeveer zo koud als het op Uranus wordt), het uitzoeken van de mechanismen die dit in de eerste plaats mogelijk maken, zou onderzoekers kunnen helpen om supergeleiders te maken die bij kamertemperatuur werken.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers waaronder Bansil en Robert Markiewicz, een professor in de natuurkunde aan Northeastern, presenteert een nieuwe manier om deze vreemde mechanismen te modelleren die leiden tot supergeleiding in cuprates.

In een studie gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , het team voorspelde nauwkeurig het gedrag van elektronen terwijl ze bewegen om supergeleiding mogelijk te maken in een groep cupraten die bekend staat als yttrium-bariumkoperoxiden.

In deze kopjes, de studie vindt, supergeleiding komt voort uit vele soorten elektronenconfiguraties. Maar liefst 26 van hen, Om specifiek te zijn.

"Tijdens deze overgangsfase het materiaal wordt in wezen een soort soep van verschillende fasen, " zegt Bansil. "De gespleten persoonlijkheden van deze prachtige materialen worden nu voor het eerst onthuld."

De fysica in cuprate-supergeleiders is intrinsiek raar. Markiewicz beschouwt die complexiteit als de klassieke Indiase mythe van de blinde mannen en de olifant, wat al decennia een grap is onder theoretisch fysici die cuprates bestuderen.

Volgens de mythe, blinde mannen ontmoeten voor het eerst een olifant, en probeer te begrijpen wat het dier is door het aan te raken. Maar omdat elk van hen slechts één deel van zijn lichaam aanraakt - de romp, staart, of benen, ze hebben bijvoorbeeld allemaal een ander (en beperkt) concept van wat een olifant is.

"In het begin, we keken allemaal [naar cuprates] op verschillende manieren, " zegt Markiewicz. "Maar dat wisten we, vroeger of later, de juiste manier zou verschijnen."

De mechanismen achter cuprates kunnen ook helpen bij het verklaren van de raadselachtige fysica achter andere materialen die bij extreme temperaturen in supergeleiders veranderen. Markiewicz zegt, en een revolutie teweegbrengen in de manier waarop ze kunnen worden gebruikt om quantum computing en andere technologieën mogelijk te maken die gegevens met ultrahoge snelheden verwerken.

"We proberen te begrijpen hoe ze samenkomen in de echte cuprates die in experimenten worden gebruikt, ' zegt Markiewicz.

De uitdaging van het modelleren van cuprate-supergeleiders komt neer op het vreemde gebied van de kwantummechanica, die het gedrag en de beweging van de kleinste stukjes materie bestudeert - en de vreemde fysieke regels die alles beheersen op de schaal van atomen.

In een bepaald materiaal - zeg, het metaal in je smartphone - elektronen die zich binnen een vingertop bevinden, kunnen het nummer één zijn, gevolgd door 22 nullen, zegt Bansil. Het modelleren van de fysica van zo'n enorm aantal elektronen is een enorme uitdaging geweest sinds het gebied van de kwantummechanica werd geboren.

Bansil beschouwt deze complexiteit graag als vlinders in een pot die snel en slim vliegen om te voorkomen dat ze met elkaar in botsing komen. In een geleidend materiaal, elektronen bewegen ook rond. En door een combinatie van fysieke krachten, ze vermijden elkaar ook. Die kenmerken vormen de kern van wat het moeilijk maakt om cuprate-materialen te modelleren.

"Het probleem met de cuprates is dat ze zich op de grens bevinden tussen een metaal en een isolator, en je hebt een berekening nodig die zo goed is dat hij die crossover systematisch kan vastleggen, " zegt Markiewicz. "Onze nieuwe modellering kan dit gedrag vastleggen."

Het team bestaat uit onderzoekers van de Tulane University, Lappeenranta University of Technology in Finland, en Tempeluniversiteit. De onderzoekers zijn de eersten die de elektronische toestanden in de cuprates modelleren zonder handmatig parameters aan hun berekeningen toe te voegen. die natuurkundigen in het verleden hebben moeten doen.

Om dat te doen, de onderzoekers modelleerden de energie van atomen van yttrium-bariumkoperoxiden op hun laagste niveau. Door dat te doen, kunnen onderzoekers elektronen traceren terwijl ze exciteren en bewegen, wat op zijn beurt helpt bij het beschrijven van de mechanismen die de kritische overgang naar supergeleiding ondersteunen.

Die overgang, bekend als de pseudogap-fase in het materiaal, kan eenvoudig worden omschreven als een deur, zegt Bansil. In een isolator, de structuur van het materiaal is als een gesloten deur die niemand doorlaat. Als de deur wijd open staat, zoals bij een geleider, kunnen elektronen er gemakkelijk doorheen.

Maar in materialen die deze pseudogap-fase ervaren, die deur zou een beetje openstaan. De dynamiek van wat die deur verandert in een echt wijd open deur (of, supergeleider) blijft een mysterie, maar het nieuwe model vangt 26 elektronenconfiguraties die het zouden kunnen doen.

"Met ons vermogen om dit eerste-principe-parameter-vrije type modellering nu uit te voeren, we zijn in een positie om daadwerkelijk verder te gaan, en hopelijk deze pseudogap-fase een beetje beter beginnen te begrijpen, ' Zegt Bansil.