在新一期《科學(xué)》雜志上,美國紐約熨斗研究所團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱,他們在理解相對較高溫度下超導(dǎo)性起源方面取得了突破。這些發(fā)現(xiàn)涉及自1986年以來一直困擾科學(xué)家的一類超導(dǎo)體——銅酸鹽。
在新一期《科學(xué)》雜志上,美國紐約熨斗研究所團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱,他們在理解相對較高溫度下超導(dǎo)性起源方面取得了突破。這些發(fā)現(xiàn)涉及自1986年以來一直困擾科學(xué)家的一類超導(dǎo)體——銅酸鹽。
該圖顯示了電子(可以向上或向下自旋)如何在哈伯德模型中形成條紋圖案。最近對該模型的突破性計(jì)算正在幫助科學(xué)家更好地了解一類稱為銅酸鹽的高溫超導(dǎo)體。
圖片來源:西蒙斯基金會
超高速懸浮列車、遠(yuǎn)距離無損電力傳輸、更快的核磁共振機(jī)器……如果人們能夠制造出室溫下無電阻傳輸電力的超導(dǎo)材料,那么所有這些先進(jìn)應(yīng)用都可以實(shí)現(xiàn)。在上個世紀(jì)大部分時間里,物理學(xué)家認(rèn)為,超導(dǎo)性只存在于-243℃(高于絕對零度約30℃)以下的極低溫度,但如此低溫需要昂貴的冷卻系統(tǒng)才能達(dá)到。1986年,銅酸鹽被發(fā)現(xiàn),其高溫超導(dǎo)性震驚了科學(xué)界:銅酸鹽在-123℃仍能保持超導(dǎo)性。這會大幅降低冷卻成本。
團(tuán)隊(duì)此次成功地用一個二維哈伯德模型再現(xiàn)了銅酸鹽超導(dǎo)的特征。該模型將銅酸鹽視為圍繞“量子棋盤”移動的電子,在模型中,研究人員為電子賦予了對角跳躍的能力,就像國際象棋中的象。這種調(diào)整結(jié)合超級計(jì)算機(jī)模擬,讓團(tuán)隊(duì)捕捉到了先前實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的銅氧化物的超導(dǎo)性和其他幾個關(guān)鍵特征。
團(tuán)隊(duì)將銅酸鹽想象為氧化銅層與其他離子層交替的烤寬面條。當(dāng)電流無電阻地流過氧化銅層時,就會產(chǎn)生超導(dǎo)性。模型將每一層描繪成一個棋盤,電子可以在其中向北、向南、向東、向西跳躍。這種復(fù)雜性來自于量子力學(xué)特性:這些層中都有電子,每個電子都有向上或向下的自旋。
在早期使用的簡單哈伯德模型中,添加或刪除電子并不會產(chǎn)生超導(dǎo)性。相反,穩(wěn)定的棋盤變成了條紋圖案。然而,當(dāng)團(tuán)隊(duì)將對角線跳躍因子添加到哈伯德模型中時,條紋僅被部分填充,超導(dǎo)性出現(xiàn)了。
這一新突破不僅將推進(jìn)高溫超導(dǎo)研究,而且對利用經(jīng)典計(jì)算研究量子世界帶來重要啟發(fā)。