Trenes levitantes ultrarrápidos, transmisión de energía de largo alcance sin pérdidas, máquinas de resonancia magnética más rápidas:todos estos fantásticos avances tecnológicos podrían estar a nuestro alcance si pudiéramos fabricar un material que transmitiera electricidad sin resistencia (o "superconductores") aproximadamente a temperatura ambiente. P>
En un artículo publicado en Science , los investigadores informan de un gran avance en nuestra comprensión de los orígenes de la superconductividad a temperaturas relativamente altas (aunque todavía gélidas). Los hallazgos se refieren a una clase de superconductores que ha desconcertado a los científicos desde 1986, llamados "cupratos".
"Hubo un tremendo entusiasmo cuando se descubrieron los superconductores de cuprato [en 1986], pero no se comprendió por qué siguen siendo superconductores a temperaturas tan altas", dice Shiwei Zhang, investigador científico senior del Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) del Instituto Flatiron. "Creo que es sorprendente para todos que casi 40 años después, todavía no entendamos por qué hacen lo que hacen".
En el nuevo artículo, Zhang y sus colegas recrearon con éxito características de la superconductividad del cuprato con un modelo simple llamado modelo bidimensional de Hubbard, que trata los materiales como si fueran electrones que se mueven alrededor de un tablero de ajedrez cuántico. El avance se produce sólo unos años después de que los mismos investigadores demostraran que la versión más simple de este modelo no podía realizar tal hazaña. Estos modelos sencillos pueden generar una comprensión más profunda de la física, afirma el coautor del estudio Ulrich Schollwöck, profesor de la Universidad de Munich.
"La idea en física es mantener el modelo lo más simple posible porque ya es bastante difícil por sí solo", dice Schollwöck. "Por eso, al principio estudiamos la versión más sencilla imaginable."
En el nuevo estudio, los investigadores añadieron al modelo 2D de Hubbard la capacidad de los electrones de realizar saltos diagonales, como los alfiles en el ajedrez. Con este ajuste y miles de simulaciones de semanas de duración en supercomputadoras, el modelo de los investigadores capturó la superconductividad y varias otras características clave de los cupratos encontradas previamente en experimentos. Al demostrar que el humilde modelo de Hubbard puede describir la superconductividad del cuprato, los autores demuestran su valor como plataforma para comprender por qué y cómo surge la superconductividad.
Durante la mayor parte del siglo pasado, los físicos creyeron entender por qué algunos materiales son superconductores. Pensaban que la superconductividad sólo existía a temperaturas extremadamente bajas por debajo de -243 grados centígrados (unos 30 grados por encima del cero absoluto). Temperaturas tan bajas requieren costosos sistemas de refrigeración que utilizan helio líquido.
Cuando se descubrieron los cupratos en 1986, sorprendieron al mundo científico al ser superconductores a temperaturas mucho más altas. A mediados de la década de 1990, los científicos habían descubierto cupratos que permanecían superconductores hasta alrededor de -123 grados Celsius (unos 150 grados sobre el cero absoluto). Estas temperaturas se pueden alcanzar utilizando nitrógeno líquido relativamente barato.
Puedes imaginar un cuprato como una lasaña de capas de óxido de cobre que se alternan con capas de otros iones. (El nombre "cuprato" proviene de la palabra latina que significa cobre). La superconductividad surge cuando la electricidad fluye sin resistencia a través de las capas de óxido de cobre. La versión más simple del modelo 2D de Hubbard utiliza sólo dos términos para representar cada capa como un tablero de ajedrez donde los electrones pueden saltar hacia el norte, el sur, el este y el oeste.
"Cuando comencé a trabajar en el modelo de Hubbard en los primeros días de la superconductividad de alta temperatura, pensamos que una vez que tuviéramos el modelo puro simulado en un pequeño 'tablero de ajedrez', entenderíamos totalmente la superconductividad", dice el coautor del estudio Steven White. , profesor de la Universidad de California, Irvine. "Pero a medida que desarrollamos las técnicas, descubrimos que el modelo de Hubbard era mucho más complicado de lo que pensábamos".
La mecánica cuántica crea esa complejidad:las capas están habitadas por electrones, cada uno con un giro ascendente o descendente. Los electrones pueden enredarse. Este entrelazamiento significa que los electrones no se pueden tratar por separado incluso cuando están muy separados, lo que los hace increíblemente difíciles de simular en una computadora.
"Aunque el modelo de Hubbard puede escribirse como una ecuación tomando sólo una o dos líneas de texto, porque se aplica a cientos de átomos que interactúan a través de las extrañas leyes de la mecánica cuántica, se podría simularlo en una computadora tan grande como la Tierra. durante miles de años y todavía no he podido obtener las respuestas correctas", afirma White.
Se necesitan atajos para abordar ese nivel de complejidad, y esos atajos son la especialidad de los investigadores. En los años 90, White y Zhang desarrollaron por separado técnicas ahora reconocidas que reducen exponencialmente el tiempo de computación. Para abordar el modelo enormemente complicado que resulta de sumar el salto diagonal, los investigadores combinaron esas dos técnicas. Una técnica piensa que los electrones son más bien partículas; el otro enfatiza su estructura ondulada.
"Lo importante de esta combinación es que uno es fuerte mientras el otro es débil", afirma Schollwöck. "Podríamos hacer un 'apretón de manos' en un área determinada donde ambos trabajan, certificando un método usando el otro, y luego explorar lo desconocido donde solo funciona uno de ellos". Este enfoque colaborativo multimétodo es el legado de la Colaboración Simons sobre el Problema de Muchos Electrones, que incluyó a muchos científicos del CCQ, afirma.
Además de las reglas de la mecánica cuántica para el movimiento, el número de electrones en el tablero de ajedrez afecta la física del modelo. Durante muchos años, los físicos han sabido que cuando hay el mismo número de electrones que espacios en el tablero, los electrones forman un patrón de tablero de ajedrez estable de espines alternados hacia arriba y hacia abajo. Esta configuración no es superconductora; de hecho, no es conductora en absoluto. Por lo tanto, los cupratos requieren un cambio en el número de electrones.
En el trabajo anterior de Zhang y sus colegas con el modelo de Hubbard más simple, agregar o quitar electrones no resultó en superconductividad. En cambio, el tablero de ajedrez estable se convirtió en un patrón de rayas, con rayas que consisten en líneas con electrones adicionales o líneas con agujeros dejados por los electrones eliminados.
Sin embargo, cuando los investigadores añadieron el factor de salto diagonal al modelo de Hubbard, las franjas se rellenaron sólo parcialmente y surgió la superconductividad. Además, el resultado coincidió aproximadamente con los resultados experimentales sobre las propiedades del cuprato.
"¿Las rayas compiten estrictamente con la superconductividad, o están causando la superconductividad, o es algo intermedio?" pregunta Blanco. "La respuesta actual es algo intermedio, que es más complicado que cualquiera de las otras respuestas."
Zhang dice que el artículo demuestra la continua prominencia del modelo de Hubbard y la computación "clásica", es decir, el desarrollo de técnicas y algoritmos que hacen un mejor uso de las computadoras normales en lugar de esperar a las computadoras cuánticas.
"Después de más de 30 años de intenso esfuerzo por parte de la comunidad sin muchas respuestas confiables, a menudo se ha argumentado que resolver el modelo de Hubbard tendría que esperar hasta una computadora cuántica", dice Zhang. "Este esfuerzo no sólo hará avanzar la investigación en superconductividad de alta temperatura, sino que, con suerte, también estimulará más investigaciones utilizando la computación 'clásica' para explorar las maravillas del mundo cuántico".
Más información: Hao Xu et al, Coexistencia de superconductividad con franjas parcialmente rellenas en el modelo de Hubbard, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adh7691
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Fundación Simons
