Wetenschap
Kwantumdoorbraak werpt licht op verbijsterende supergeleiders met hoge temperaturen
Supersnelle zwevende treinen, verliesloze krachtoverbrenging over lange afstanden, snellere MRI-machines – al deze fantastische technologische ontwikkelingen zouden binnen ons bereik kunnen liggen als we een materiaal zouden kunnen maken dat elektriciteit zonder weerstand (of ‘supergeleiders’) overdraagt bij ongeveer kamertemperatuur. P>
In een artikel gepubliceerd in Science rapporteren onderzoekers een doorbraak in ons begrip van de oorsprong van supergeleiding bij relatief hoge (hoewel nog steeds ijskoude) temperaturen. De bevindingen hebben betrekking op een klasse supergeleiders die wetenschappers sinds 1986 voor raadsels stelt, genaamd 'cuprates'.
‘Er was enorme opwinding toen cuprate-supergeleiders werden ontdekt [in 1986], maar er was geen inzicht waarom ze bij zulke hoge temperaturen supergeleidend blijven’, zegt Shiwei Zhang, senior wetenschappelijk onderzoeker bij het Center for Computational Quantum Physics (CCQ) van het Flatiron Institute. "Ik denk dat het voor iedereen verrassend is dat we bijna veertig jaar later nog steeds niet helemaal begrijpen waarom ze doen wat ze doen."
In het nieuwe artikel hebben Zhang en zijn collega's met succes kenmerken van cuprate-supergeleiding nagebootst met een eenvoudig model, het tweedimensionale Hubbard-model, dat de materialen behandelt alsof het elektronen zijn die rond een kwantumschaakbord bewegen. De doorbraak komt slechts een paar jaar nadat dezelfde onderzoekers hadden aangetoond dat de eenvoudigste versie van dit model zo'n prestatie niet kon leveren. Dergelijke eenvoudige modellen kunnen leiden tot een dieper begrip van de natuurkunde, zegt medeauteur van het onderzoek Ulrich Schollwöck, professor aan de Universiteit van München.
‘Het idee in de natuurkunde is om het model zo eenvoudig mogelijk te houden, omdat het op zichzelf al moeilijk genoeg is’, zegt Schollwöck. "Dus in het begin hebben we de eenvoudigst denkbare versie bestudeerd."
In de nieuwe studie voegden de onderzoekers aan het 2D-Hubbard-model het vermogen van elektronen toe om diagonale sprongen te maken, zoals bisschoppen bij schaken. Met deze aanpassing en duizenden weken durende simulaties op supercomputers heeft het model van de onderzoekers de supergeleiding en verschillende andere belangrijke kenmerken van cuprates vastgelegd die eerder in experimenten werden aangetroffen. Door aan te tonen dat het bescheiden Hubbard-model cuprate-supergeleiding kan beschrijven, bewijzen de auteurs zijn waarde als platform om te begrijpen waarom en hoe supergeleiding ontstaat.
Het grootste deel van de vorige eeuw dachten natuurkundigen te begrijpen waarom sommige materialen supergeleidend zijn. Ze dachten dat supergeleiding alleen bestond bij extreem lage temperaturen onder ongeveer min 243 graden Celsius (ongeveer 30 graden boven het absolute nulpunt). Dergelijke lage temperaturen vereisen dure koelsystemen die vloeibaar helium gebruiken.
Toen cuprates in 1986 werden ontdekt, schokten ze de wetenschappelijke wereld door supergeleiding bij veel hogere temperaturen. Halverwege de jaren negentig hadden wetenschappers cupraten ontdekt die supergeleidend bleven tot ongeveer min 123 graden Celsius (ongeveer 150 graden boven het absolute nulpunt). Dergelijke temperaturen kunnen worden bereikt met relatief goedkope vloeibare stikstof.
Je kunt een cuprate voorstellen als een lasagne van koperoxidelagen afgewisseld met lagen van andere ionen. (De naam "cuprate" komt van het Latijnse woord voor koper.) Supergeleiding ontstaat wanneer elektriciteit zonder weerstand door de koperoxidelagen stroomt. De eenvoudigste versie van het 2D-Hubbard-model gebruikt slechts twee termen om elke laag voor te stellen als een schaakbord waarop elektronen naar het noorden, zuiden, oosten en westen kunnen springen.
"Toen ik begon te werken aan het Hubbard-model in de begindagen van supergeleiding bij hoge temperaturen, dachten we dat we, zodra we het pure model op een klein 'schaakbord' hadden gesimuleerd, supergeleiding volledig zouden begrijpen", zegt co-auteur van het onderzoek, Steven White. , een professor aan de Universiteit van Californië, Irvine. "Maar toen we de technieken ontwikkelden, ontdekten we dat het Hubbard-model veel gecompliceerder was dan we dachten."
De kwantummechanica creëert die complexiteit:de lagen worden bewoond door elektronen, elk met een opwaartse of neerwaartse spin. De elektronen kunnen verstrengeld raken. Deze verstrengeling betekent dat de elektronen niet afzonderlijk kunnen worden behandeld, zelfs niet als ze ver uit elkaar liggen, waardoor ze ongelooflijk moeilijk te simuleren zijn op een computer.
‘Hoewel het Hubbard-model kan worden opgeschreven als een vergelijking die slechts een paar regels tekst beslaat, zou je het kunnen simuleren op een computer zo groot als de aarde, omdat het wordt toegepast op honderden atomen die op elkaar inwerken via de vreemde wetten van de kwantummechanica. al duizenden jaren en nog steeds niet in staat om de juiste antwoorden te krijgen", zegt White.
Er zijn sluiproutes nodig om met dat niveau van complexiteit om te gaan – en zulke sluiproutes zijn de specialiteit van de onderzoekers. In de jaren negentig ontwikkelden White en Zhang afzonderlijk inmiddels vermaarde technieken die de computertijd exponentieel verkortten. Om om te gaan met het enorm ingewikkelde model dat voortkomt uit het toevoegen van de diagonale sprong, hebben de onderzoekers deze twee technieken met elkaar gecombineerd. Eén techniek beschouwt de elektronen meer als deeltjes; de andere benadrukt hun golfachtige structuur.
"Het mooie van de combinatie is dat de een sterk is waar de ander zwak is", zegt Schollwöck. "We zouden een 'handdruk' kunnen maken op een bepaald gebied waar ze allebei werken, de ene methode certificeren met behulp van de andere, en vervolgens het onbekende verkennen waar slechts één van hen werkt." Een dergelijke collaboratieve aanpak met meerdere methoden is de erfenis van de Simons Collaboration on the Many Electron Problem, waarbij veel CCQ-wetenschappers betrokken waren, zegt hij.
Naast de kwantummechanische regels voor beweging beïnvloedt het aantal elektronen op het schaakbord de fysica van het model. Natuurkundigen weten al jaren dat wanneer er evenveel elektronen als ruimtes op het bord zijn, de elektronen een stabiel schaakbordpatroon vormen van afwisselende op-en-neer spins. Deze opstelling is niet supergeleidend, sterker nog, het is helemaal niet geleidend. Cuprates vereisen daarom een verandering in het aantal elektronen.
In het eerdere werk van Zhang en zijn collega's met het eenvoudigste Hubbard-model resulteerde het toevoegen of verwijderen van elektronen niet in supergeleiding. In plaats daarvan veranderde het stabiele schaakbord in een gestreept patroon, met strepen bestaande uit lijnen met extra elektronen of lijnen met gaten achtergelaten door de verwijderde elektronen.
Toen de onderzoekers echter de diagonale sprongfactor aan het Hubbard-model toevoegden, werden de strepen slechts gedeeltelijk gevuld en ontstond er supergeleiding. Bovendien kwam de uitkomst grofweg overeen met experimentele resultaten op het gebied van cuprate-eigenschappen.
"Concurreren strepen strikt met de supergeleiding, of veroorzaken ze de supergeleiding, of zit het iets daartussenin?" vraagt Wit. "Het huidige antwoord ligt daar tussenin, wat ingewikkelder is dan elk van de andere antwoorden."
Zhang zegt dat het artikel de voortdurende saillantie van het Hubbard-model en 'klassieke' berekeningen bewijst, dat wil zeggen het ontwikkelen van technieken en algoritmen die beter gebruik maken van gewone computers in plaats van te wachten op kwantumcomputers.
"Na meer dan dertig jaar intensieve inspanningen van de gemeenschap zonder veel betrouwbare antwoorden, wordt vaak beweerd dat het oplossen van het Hubbard-model zou moeten wachten op een kwantumcomputer", zegt Zhang. "Deze inspanning zal niet alleen het onderzoek naar supergeleiding bij hoge temperaturen bevorderen, maar hopelijk ook meer onderzoek stimuleren met behulp van 'klassieke' berekeningen om de wonderen van de kwantumwereld te verkennen."
