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較高溫度下超導性起源研究獲突破,二維哈伯德模型再現銅酸鹽超導特征

2024.05.23 科技日報 張夢(mèng)然

  在新一期《科學(xué)》雜志上,美國紐約熨斗研究所團隊報告稱(chēng),他們在理解相對較高溫度下超導性起源方面取得了突破。這些發(fā)現涉及自1986年以來(lái)一直困擾科學(xué)家的一類(lèi)超導體——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算正在幫助科學(xué)家更好地了解一類(lèi)稱(chēng)為銅酸鹽的高溫超導體。

圖片來(lái)源:西蒙斯基金會(huì )

  超高速懸浮列車(chē)、遠距離無(wú)損電力傳輸、更快的核磁共振機器……如果人們能夠制造出室溫下無(wú)電阻傳輸電力的超導材料,那么所有這些先進(jìn)應用都可以實(shí)現。在上個(gè)世紀大部分時(shí)間里,物理學(xué)家認為,超導性只存在于-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才能達到。1986年,銅酸鹽被發(fā)現,其高溫超導性震驚了科學(xué)界:銅酸鹽在-123℃仍能保持超導性。這會(huì )大幅降低冷卻成本。

  團隊此次成功地用一個(gè)二維哈伯德模型再現了銅酸鹽超導的特征。該模型將銅酸鹽視為圍繞“量子棋盤(pán)”移動(dòng)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。這種調整結合超級計算機模擬,讓團隊捕捉到了先前實(shí)驗中出現的銅氧化物的超導性和其他幾個(gè)關(guān)鍵特征。

  團隊將銅酸鹽想象為氧化銅層與其他離子層交替的烤寬面條。當電流無(wú)電阻地流過(guò)氧化銅層時(shí),就會(huì )產(chǎn)生超導性。模型將每一層描繪成一個(gè)棋盤(pán),電子可以在其中向北、向南、向東、向西跳躍。這種復雜性來(lái)自于量子力學(xué)特性:這些層中都有電子,每個(gè)電子都有向上或向下的自旋。

  在早期使用的簡(jiǎn)單哈伯德模型中,添加或刪除電子并不會(huì )產(chǎn)生超導性。相反,穩定的棋盤(pán)變成了條紋圖案。然而,當團隊將對角線(xiàn)跳躍因子添加到哈伯德模型中時(shí),條紋僅被部分填充,超導性出現了。

  這一新突破不僅將推進(jìn)高溫超導研究,而且對利用經(jīng)典計算研究量子世界帶來(lái)重要啟發(fā)。

 

 

 

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