Kvantový prielom vrhá svetlo na zložité vysokoteplotné supravodiče

Superrýchle levitujúce vlaky, bezstratový prenos energie na diaľku, rýchlejšie prístroje MRI – všetky tieto hypotetické technologické pokroky by sme mohli mať na dosah, keby sme dokázali vytvoriť materiál, ktorý prenáša elektrinu bez akéhokoľvek odporu – alebo „supravodenia“ – v miestnostiach okolo teploty .

v papieri publikovaný In Veda, výskumníci hlásia prelom v našom chápaní pôvodu supravodivosti pri relatívne vysokých (hoci stále nízkych) teplotách. Zistenia sa týkajú triedy supravodičov, ktoré od roku 1986 mätú vedcov, nazývaných „kupráty“.

„Keď boli objavené kuprátové supravodiče, nastalo obrovské vzrušenie [in 1986]“Nevieme však pochopiť, prečo zostávajú supravodičmi pri takých vysokých teplotách,“ hovorí Shiwei Zhang, vedúci výskumný pracovník Centra pre počítačovú kvantovú fyziku (CCQ) Flatiron Institute po rokoch stále nechápeme, prečo robia to, čo robia.“

V novom článku Zhang a jeho kolegovia úspešne obnovili charakteristiky kuprátovej supravodivosti pomocou jednoduchého modelu nazývaného dvojrozmerný Hubbardov model, ktorý zaobchádza s materiálmi, ako keby to boli elektróny pohybujúce sa okolo kvantovej šachovnice. Prelom prichádza len niekoľko rokov po tom, čo tí istí výskumníci predviedli jednoduchšiu verziu modelu nemohol dosiahnuť taký výkon, Spoluautor štúdie Ulrich Scholwalk, profesor na univerzite v Mníchove, hovorí, že takéto priame modely môžu viesť k hlbšiemu pochopeniu fyziky.

„Myšlienkou fyziky je udržať model čo najjednoduchší, pretože je sám o sebe dostatočne tvrdý,“ hovorí Sholwalk. „Takže na začiatku sme študovali najjednoduchšiu verziu, akú si možno predstaviť.“

V novej štúdii vedci pridali schopnosť elektrónov v 2D Hubbardovom modeli vytvárať diagonálne skoky, ako napríklad strelci v šachu. Vďaka tejto zmene a tisíckam týždňov dlhých simulácií na superpočítači zachytil model výskumníkov supravodivosť kuprátu a mnoho ďalších kľúčových prvkov, ktoré sa predtým našli v experimentoch. Ukázaním, že skromný Hubbardov model môže opísať kuprátovú supravodivosť, autori dokazujú jej užitočnosť ako platformy na pochopenie toho, prečo a ako sa supravodivosť objavuje.

Väčšinu minulého storočia si fyzici mysleli, že pochopili, prečo sú niektoré materiály supravodiče. Myslel si, že supravodivosť existuje len pri extrémne nízkych teplotách, asi 243 stupňov Celzia pod nulou (asi 30 stupňov nad absolútnou nulou). Takéto nízke teploty vyžadujú drahé chladiace systémy, ktoré využívajú tekuté hélium.

Keď boli v roku 1986 objavené kupráty, šokovali vedecký svet tým, že ukázali supravodivosť pri veľmi vysokých teplotách. Do polovice 90. rokov vedci objavili kupráty, ktoré zostali supravodičmi až do 123 stupňov Celzia pod nulou (asi 150 stupňov nad absolútnou nulou). Takéto teploty je možné dosiahnuť použitím relatívne lacného tekutého dusíka.

Kuprát si môžete predstaviť ako lasagne s vrstvami oxidu medi, ktoré sa striedajú s vrstvami iných iónov. (Názov „cuprate“ pochádza z latinského slova pre meď.) Supravodivosť nastáva, keď elektrina prúdi bez odporu cez vrstvy oxidu medi. Najjednoduchšia verzia 2D Hubbardovho modelu používa iba dva výrazy na zobrazenie každej vrstvy ako šachovnice, kde môžu elektróny skákať na sever, juh, východ a západ.