Investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía dicen que han encontrado el primero, Prueba largamente buscada de que se puede utilizar un modelo científico de comportamiento material de décadas de antigüedad para simular y comprender la superconductividad de alta temperatura, un paso importante para producir y controlar este fenómeno desconcertante a voluntad.

Las simulaciones que corrieron publicado en Ciencias hoy dia, sugieren que los investigadores podrían activar y desactivar la superconductividad en materiales a base de cobre llamados cupratos ajustando su química para que los electrones salten de un átomo a otro en un patrón particular, como si saltaran al átomo en diagonal al otro lado de la calle en lugar de al uno. al lado.

"Lo más importante que desea saber es cómo hacer que los superconductores funcionen a temperaturas más altas y cómo hacer que la superconductividad sea más robusta, "dijo el coautor del estudio Thomas Devereaux, director del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC. "Se trata de encontrar las perillas que puede girar para inclinar la balanza a su favor".

El mayor obstáculo para hacer eso, él dijo, ha sido la falta de un modelo, una representación matemática de cómo se comporta un sistema, que describa este tipo de superconductividad, cuyo descubrimiento en 1986 generó esperanzas de que algún día la electricidad pudiera transmitirse sin pérdidas para las líneas eléctricas y los trenes maglev perfectamente eficientes.

Mientras que los científicos pensaban en el modelo de Hubbard, utilizado durante décadas para representar el comportamiento de los electrones en numerosos materiales, podría aplicarse a superconductores de cuprato de alta temperatura, hasta ahora no tenían pruebas, dijo Hong-Chen Jiang, un científico del SIMES y coautor del informe.

"Este ha sido un problema importante sin resolver en el campo:¿describe el modelo de Hubbard la superconductividad de alta temperatura en los cupratos? ¿O le falta algún ingrediente clave? ", dijo." Debido a que hay varios estados en competencia en estos materiales, tenemos que confiar en simulaciones imparciales para responder a estas preguntas, pero los problemas computacionales son muy difíciles, y por eso el progreso ha sido lento ".

Las muchas caras de los materiales cuánticos

¿Por qué tan difícil?

Si bien muchos materiales se comportan de formas muy predecibles, el cobre siempre es un metal, y cuando rompes un imán, los bits siguen siendo magnéticos:los superconductores de alta temperatura son materiales cuánticos, donde los electrones cooperan para producir propiedades inesperadas. En este caso, se emparejan para conducir electricidad sin resistencia o pérdida a temperaturas mucho más altas de lo que pueden explicar las teorías establecidas de superconductividad.

A diferencia de los materiales cotidianos, Los materiales cuánticos pueden albergar una serie de fases, o estados de la materia, En seguida, Dijo Devereaux. Por ejemplo, un material cuántico podría ser metálico bajo un conjunto de condiciones, pero aislante en condiciones ligeramente diferentes. Los científicos pueden inclinar el equilibrio entre las fases modificando la química del material o la forma en que se mueven sus electrones. por ejemplo, y el objetivo es hacerlo de forma deliberada para crear nuevos materiales con propiedades útiles.

Uno de los algoritmos más poderosos para modelar situaciones como esta se conoce como grupo de renormalización de matriz de densidad, o DMRG. Pero debido a que estas fases coexistentes son tan complejas, usar el DMRG para simularlos requiere mucho tiempo de cálculo y memoria y, por lo general, lleva bastante tiempo, Dijo Jiang.

Para reducir el tiempo de cálculo y alcanzar un nivel de análisis más profundo de lo que hubiera sido práctico antes, Jiang buscó formas de optimizar los detalles de la simulación. "Tenemos que simplificar cuidadosamente cada paso, " él dijo, "Haciéndolo lo más eficiente posible e incluso encontrando formas de hacer dos cosas distintas a la vez". Estas eficiencias permitieron al equipo ejecutar simulaciones DMRG del modelo Hubbard significativamente más rápido que antes, con aproximadamente un año de tiempo de computación en el clúster de computación Sherlock de Stanford y otras instalaciones en el campus de SLAC.

Vecinos de electrones saltando

Este estudio se centró en la delicada interacción entre dos fases que se sabe que existen en los cupratos:superconductividad de alta temperatura y franjas de carga, que son como un patrón de ondas de mayor y menor densidad de electrones en el material. La relación entre estos estados no está clara, Algunos estudios sugieren que las bandas de carga promueven la superconductividad y otros sugieren que compiten con ella.

Para su análisis, Jiang y Devereaux crearon una versión virtual de un cuprato en una celosía cuadrada, como una cerca de alambre con agujeros cuadrados. Los átomos de cobre y oxígeno están confinados a planos en el material real, pero en la versión virtual se vuelven solteros, átomos virtuales que se encuentran en cada una de las intersecciones donde se unen los cables. Cada uno de estos átomos virtuales puede acomodar como máximo dos electrones que son libres para saltar o saltar, ya sea a sus vecinos inmediatos en el retículo cuadrado o diagonalmente a través de cada cuadrado.

Cuando los investigadores utilizaron DMRG para simular el modelo de Hubbard aplicado a este sistema, descubrieron que los cambios en los patrones de salto de los electrones tenían un efecto notable en la relación entre las franjas de carga y la superconductividad.

Cuando los electrones saltaban solo a sus vecinos inmediatos en la celosía cuadrada, el patrón de franjas de carga se hizo más fuerte y el estado superconductor nunca apareció. Cuando se permitió que los electrones saltaran en diagonal, rayas de carga eventualmente debilitadas, pero no se fue, y finalmente emergió el estado superconductor.

"Hasta ahora no podíamos avanzar lo suficiente en nuestro modelado para ver si las franjas de carga y la superconductividad pueden coexistir cuando este material está en su estado de energía más bajo. Ahora sabemos que lo hacen, al menos para sistemas de este tamaño, "Dijo Devereaux.

Todavía es una pregunta abierta si el modelo de Hubbard describe todo el comportamiento increíblemente complejo de los cupratos reales, añadió. Incluso un pequeño aumento en la complejidad del sistema requeriría un gran salto en el poder del algoritmo utilizado para modelarlo. "El tiempo que lleva hacer su simulación aumenta exponencialmente rápido con el ancho del sistema que desea estudiar, ", Dijo Devereaux." Es exponencialmente más complicado y exigente ".

Pero con estos resultados, él dijo, "Ahora tenemos un modelo de interacción completa que describe la superconductividad de alta temperatura, al menos para sistemas de los tamaños que podemos estudiar, y eso es un gran paso adelante ".