超导体与否?

东北研究人员使用了功能强大的计算机模型来探测令人困惑的铜基材料,这些材料可以转变为超导体。他们的发现为数十年前的谜团提供了诱人的线索,并为量子计算迈出了一步。

材料让电流流动的能力来自原子中电子的排列方式。根据这些布置或配置,那里的所有材料都是绝缘体或电导体。

但是铜酸盐是一类由氧化铜制成的神秘材料,在科学界很出名,因为它存在一些身份问题,可以使它们成为绝缘体  conductors.

在正常条件下,铜酸盐是绝缘体:抑制电子流动的材料。但是通过对其成分进行调整,它们可以转变为世界上最好的超导体。

1986年发现的这种超导性在1987年获得了发现者诺贝尔奖,并且使科学界为改进超级计算和其他关键技术的可能性着迷。

但是,随着迷住了30年的困惑:科学家们还无法完全解读编码铜酸盐中超导性的电子的排列。

这些材料的电子结构图可以说是理论​​物理学中最艰巨的挑战之一。 阿伦·班希尔,东北大学大学杰出物理学教授。而且,他说,因为超导是一种奇怪的现象,只有在-300 F(或与天王星一样冷)的温度下才会发生,因此首先弄清楚使其成为可能的机制可以帮助研究人员在室温下工作的超导体。

现在,一个由Bansil和 罗伯特·马克维维奇,东北大学物理学教授,提出了一种新的方法来模拟这些导致铜价超导的奇怪机制。

在研究中 已发表 in 美国国家科学院院刊,研究小组准确地预测了电子移动时的行为,以使一组称为钡钡氧化铜的铜酸盐实现超导。

研究发现,在这些铜酸盐中,超导电性来自多种类型的电子构型。具体来说,其中多达26个。

“在过渡阶段,材料本质上将变成某种不同阶段的汤,” Bansil说。 “这些精美材料的分裂个性现在第一次被揭示出来。”

铜酸盐超导体中的物理学本质上是怪异的。 Markiewicz认为这种复杂性是盲人和大象的经典印度神话,几十年来,研究铜价的理论物理学家一直在开玩笑。

根据神话,盲人第一次遇到一头大象,并试图通过触摸它来了解动物。但是由于它们中的每一个仅接触身体的一部分(例如,躯干,尾巴或腿),因此它们对大象的概念都有不同(且有限)的概念。

“一开始,我们所有人都以不同的方式看待(铜价),” Markiewicz说。 ``但我们知道,迟早会出现正确的方法。''

Markiewicz说,铜酸盐背后的机制还可以帮助解释在极端温度下变成超导体的其他材料背后令人费解的物理原理,并彻底改变了它们可用于支持量子计算和其他技术以超快速度处理数据的方式。

Markiewicz说:“我们正在尝试了解它们是如何在实验所用的实际铜价中组合在一起的。”

建模铜酸盐超导体的挑战归结于量子力学的怪异领域,该领域研究了最微小的物质的行为和运动,以及控制原子尺度上所有事物的奇怪物理规则。

Bansil说,在任何给定的材料(例如,智能手机中的金属)中,指尖空间中包含的电子都可能等于数字1,然后是22个零。自从量子力学领域诞生以来,对如此大量的电子的物理学进行建模就一直具有极大的挑战性。

Bansil喜欢将这种复杂性视为罐中的蝴蝶快速而聪明地飞行以避免相互碰撞。在导电材料中,电子也会四处移动。而且由于物理力的结合,它们也相互避免。这些特征是难以建模铜酸盐材料的核心。

Markiewicz说:“铜价的问题在于它们处于金属和绝缘体之间的边界,您需要进行如此出色的计算,以至于可以系统地捕获该分频。” “我们的新模型可以捕获这种行为。”

该团队的成员包括来自杜兰大学,芬兰拉彭兰塔理工大学和天普大学的研究人员。研究人员是第一个对铜酸盐中的电子状态建模的模型,而无需在他们的计算中手动添加参数,而物理学家过去必须这样做。

为此,研究人员对钇钡铜氧化物的最低能量进行了建模。这样做可以使研究人员追踪电子在激发和移动时的轨迹,从而有助于描述支持关键转变为超导电性的机制。

Bansil说,这种过渡被称为材料中的伪间隙相,可以简单地描述为一扇门。在绝缘子中,材料的结构就像一扇封闭的门,不允许任何人通过。如果门是敞开的(就像导体一样),电子很容易通过。

但是在经历了伪间隙阶段的材料中,该门将稍微打开。将那扇门变成一扇门的动力 真 敞开的门(或超导体)仍然是个谜,但是新模型捕获了可以做到的26种电子结构。

Bansil说:“凭借我们现在能够进行这种无第一原理的建模的能力,我们实际上可以走得更远,并希望开始更好地理解这一伪间隙阶段。”

媒体查询,请通过以下方式与Mike Woeste联系: [email protected] or 617-373-5718.



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