科学家们终于找到了他们寻找了几十年的超导性

1、 斯坦福大学SLAC国家加速器实验室和美国能源部的研究人员表示，他们发现了第一个长期证据，即具有几十年历史的材料行为科学模型可以用来模拟和理解高温超导，这是随机产生和控制这种令人困惑的现象的重要一步。

2、 他们操作的模拟结果今天发表在《科学》杂志上，表明研究人员可能能够通过调整铜基材料(称为铜酸盐)的化学性质来打开或关闭它们的超导性，以便电子能够以特定的模式从一个原子跳到另一个原子。原子斜着穿过街道，而不是隔壁。

3、 该研究的合著者、斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)所长托马斯德弗罗(Thomas Devereaux)说：“你最想知道的是如何让超导体在更高的温度下工作，以及如何让超导性变得更强。”“这是为了找到一个可以转动的旋钮，使天平向自己有利的方向倾斜。”

4、 他说，最大的障碍是缺乏描述这种超导性的模型(系统行为的数学表示)。1986年这种模式的发现，让人们燃起了希望，希望有一天，电力、高效电力线和磁悬浮列车能够无损传输。

5、 SIMES的科学家蒋是这篇论文的合著者，他说，虽然科学家们认为已经被使用了几十年来表示各种材料中电子行为的哈伯德模型可能适用于铜酸盐高温超导体，但直到现在还没有证据。报告。

6、 “这是该领域尚未解决的主要问题——哈伯德模型是描述了铜酸盐中的高温超导性，还是缺少一些关键成分？”他说。“因为这些材料中有很多竞争状态，我们不得不依靠无偏的模拟来回答这些问题，但是计算问题非常困难，所以进度很慢。”

7、 量子材料的许多方面

8、 为什么这么难？

9、 尽管许多材料的行为非常可预测——铜总是一种金属，当你爆炸磁铁时，钻头仍然是磁性的——高温超导体是量子材料，其中电子相互作用产生意想不到的特性。在这种情况下，它们成对导电，在比已建立的超导理论所能解释的更高的温度下没有电阻或损耗。

10、 德弗罗说，与普通材料不同，量子材料可以同时适应多种相或材料状态。例如，量子材料在一组条件下可能是金属，但它们在稍微不同的条件下是绝缘的。例如，科学家可以通过修复材料的化学性质或电子的运动来平衡相位。目标是有意这样做，以创造具有有用特性的新材料。

11、 模拟这种情况的最强大的算法之一是密度矩阵重整化群(DMRG)。然而，由于这些共存阶段如此复杂，用DMRG模拟它们需要大量的计算时间和内存，并且通常需要很长时间。

12、 为了减少计算时间，达到比以前更深层次的分析，姜找到了一种优化模拟细节的方法。他说：“我们必须仔细简化每一步，使其尽可能高效，甚至想办法同时完成两个独立的任务。”这些效率使团队能够比以前更快地运行哈伯德模型的DMRG模拟，这在斯坦福的夏洛克计算集群和SLAC校区的其他设施中需要大约一年的时间。

13、 跳跃电子邻居

14、 这项研究的重点是已知存在于铜酸盐中的两相之间的微妙相互作用——高温超导性和电荷条纹，这就像材料中电子密度的波动模式。这些状态之间的关系尚不清楚。一些研究表明电荷条纹可以促进超导性，而另一些研究表明电荷条纹可以与之竞争。

15、 为了分析，姜和德弗罗在方形网格上创建了一个虚拟版的铜板，比如带方孔的铁丝网。而铜和氧原子在实际材料中被限制在平面上，但在虚拟版本中，它们变成了一个单一的虚拟原子，位于每一个导线交汇的交叉点。这些虚拟原子中的每一个最多可以容纳两个自由跳跃或跳跃电子，这些电子可以跳跃到正方形晶格上的相邻像素或对角穿过每个正方形。

16、 当研究人员使用DMRG模拟应用于该系统的哈伯德模型时，他们发现电子跳跃模式的变化对电荷条纹和超导性之间的关系有显著影响。

17、 当电子只跳到它们在正方形晶格上的邻居时，电荷条纹的模式变得更强，超导状态永远不会出现。当允许电子对角跳跃时，电荷条纹最终减弱，但并没有消失，超导态最终出现。

18、 Devereaux说：“直到现在，我们仍然无法在模型中进行足够深入的研究，以了解当这种材料处于最低能量状态时，电荷条纹和超导性是否可以共存。现在我们知道，至少对于这种规模的系统，它们可以共存。”

19、 他补充说，哈伯德模型是否描述了实际汇率的所有令人难以置信的复杂行为仍然是一个悬而未决的问题。即使系统的复杂度稍微增加，用于建模的算法的功能也会有很大的提升。德弗罗说：“模拟所需的时间随着要研究的系统宽度的增加而呈指数增长。”“这要复杂得多，要求也高得多。”

20、 但有了这些结果，他说，“我们现在有了一个描述高温超导完全相互作用的模型，至少对于我们可以研究的那种规模的系统来说，这是向前迈出的一大步。”

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