Superconductividad Finalmente Encontrada En Su Lugar Los Científicos Han Estado Buscando Durante Décadas

Los electrones saltando alternan la superconductividad de alta temperatura

Las simulaciones por computadora en SLAC y Stanford sugieren una forma de activar y desactivar la superconductividad en materiales a base de cobre llamados cupratos: ajustar la química de los materiales para que los electrones salten de un átomo a otro en un patrón particular, como si saltaran al átomo en diagonal a través del calle en lugar de la de al lado. Esta cuadrícula de átomos simulados ilustra la idea. Los átomos de cobre están en naranja, los átomos de oxígeno en rojo y los electrones en azul. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

El modelo de Hubbard, utilizado para comprender el comportamiento de los electrones en numerosos materiales cuánticos, ahora nos muestra sus franjas, y también su superconductividad, en simulaciones de superconductores de cuprato.

Investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía dicen que han encontrado la primera prueba buscada durante mucho tiempo de que un modelo científico de comportamiento de materiales de décadas de antigüedad se puede utilizar para simular y comprender la superconductividad de alta temperatura, un paso importante hacia produciendo y controlando este fenómeno desconcertante a voluntad.

Las simulaciones que ejecutaron, publicadas en Science ayer (27 de septiembre de 2019), sugieren que los investigadores podrían activar y desactivar la superconductividad en materiales a base de cobre llamados cupratos modificando su química para que los electrones salten de átomo al átomo en un patrón particular, como si saltara al átomo en diagonal al otro lado de la calle en lugar de al de al lado.

“Lo más importante que desea saber es cómo hacer que los superconductores operen a temperaturas más altas y cómo hacer que la superconductividad sea más robusta”, dijo el coautor del estudio Thomas Devereaux, director del Instituto de Stanford para Ciencias de Materiales y 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, 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 podría transmitirse sin pérdidas para Líneas eléctricas y trenes maglev perfectamente eficientes.

Si bien los científicos pensaban que 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, científico del personal de SIMES y coautor de la reporte.

“Este ha sido un problema importante sin resolver en el campo: ¿el modelo de Hubbard describe la superconductividad de alta temperatura en los cupratos, o le falta algún ingrediente clave?” él 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, por lo que el progreso ha sido lento”.

Las muchas caras de los materiales cuánticos

¿Por qué tan difícil?

Si bien muchos materiales se comportan de maneras muy predecibles (el cobre siempre es un metal, y cuando se rompe 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 la 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 a la vez, dijo Devereaux. Por ejemplo, un material cuántico podría ser metálico en un conjunto de condiciones, pero aislante en condiciones ligeramente diferentes. Los científicos pueden inclinar el equilibrio entre 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 simularlas 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”, dijo, “hacerlo lo más eficiente posible e incluso encontrar 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: la superconductividad a alta temperatura y las franjas de carga, que son como un patrón de onda 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 convierten en átomos virtuales únicos que se encuentran en cada una de las intersecciones donde se encuentran 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 la red cuadrada o en diagonal 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 saltaron solo a sus vecinos inmediatos en la red 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, las franjas de carga finalmente se debilitaron, pero no desaparecieron, y finalmente emergió el estado superconductor.

“Hasta ahora no pudimos avanzar lo suficiente en nuestro modelado para ver si las franjas de carga y la superconductividad pueden coexistir cuando este material se encuentra 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, agregó. 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, dijo, “ahora tenemos un modelo de interacción completa que describe la superconductividad de alta temperatura, al menos para sistemas en los tamaños que podemos estudiar, y eso es un gran paso adelante”.

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Los fondos para el estudio provienen de la Oficina de Ciencias del DOE.

Referencia: “Superconductividad en el modelo de Hubbard dopado y su interacción con el siguiente salto t ′ más cercano” por Hong-Chen Jiang y Thomas P. Devereaux, 27 de septiembre de 2019, Science .
DOI: 10.1126 / science.aal5304

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