量子突破揭露令人困惑的高溫超導體

編譯/高晟鈞

量子突破揭露令人困惑的高溫超導體。圖取自 Innovation

來自Flatiron Institute的科學家張世偉和他的夥伴透過對哈伯德模型(Hubbard Model)的重新計算,幫助科學家更好地理解首個突破超導臨界溫度(液態氮溫度,約77度K)的超導體「酮酸鹽材料」,其背後困擾了科學家近40年的秘密。

震驚世界的酮酸鹽

上個世紀,大部分物理學家認為,材料的超導性只存在於接近絕對零度(只比絕對零度高約30度)的極低溫下。而如此低的溫度需要使用極為昂貴的液態氮冷去卻系統。因此,1986年當液當銅酸鹽被發現時,它們在相對更高溫度(-123OC)下的超導性震驚了科學界,因為這意謂著使用相對便宜的液態氮就可以達到這樣的溫度。

酮酸鹽(Cuprate)是含銅陰離子的鹽類,其結構像是氧化銅與其他離子層交替堆疊的千層蛋糕。當電流可以無阻礙地流過氧化銅層時,就會產生超導性。

二維哈伯德模型

二維哈伯德模型的最簡單版本僅使用兩個術語,將每一層描繪成一個西洋棋盤,電子可以在其中向北、向南、向東、向西跳躍。

「當我在高溫超導的早期開始研究哈伯德模型時,我們認為一旦我們在一個小『棋盤』上模擬了純模型,我們就會完全理解超導性。然而,事實上量子力學將一切都變得複雜了。」研究合著者Steven White說道。

更直白來說,每層都居住著電子,每個電子都有向上或下的自旋,並可能糾纏在一起。這種糾纏意味著即使相距很遠也無法單獨處理電子,因此想要在電腦上模擬它們變得極其困難。即使使用如哈伯德模型如此簡單的方程,在像地球一樣大的電腦上模擬上千年,都無法得到正確的答案。

尋求捷徑

處理這種複雜的計算需要捷徑。對此研究人員以指數方式縮短了計算時間。為了處理由於添加對角線跳躍而產生的極其複雜的模型,研究人員將這兩種技術結合起來。一種技術認為電子更像粒子;另一個則強調其波動結構,而兩者可以相互驗證。

經過多年驗證,物理學家發現,當電子數量與棋盤上的空間數量相同時,電子會形成上下自旋交替的穩定棋盤圖案,但這種裝置並不是超導的;事實上,它根本不導電。因此,銅酸鹽需要改變電子數量來影響模型的物理特性。

添加或刪除電子本身並不會產生超導性。相反的,穩定的棋盤變成了條紋圖案,條紋由帶有額外電子的線或帶有被移除電子留下的空穴的線組成。然而當研究人員將對角線跳躍因子添加到哈伯德模型中時,條紋僅被部分填充,超導性出現了。

條紋的出現究竟是導致超導性的關鍵,與他拮抗的現象,抑或是介於兩者之間,目前的答案仍難有定論。儘管這篇論文依舊沒有給出絕對的定論,但它證明了更好地利用常規電腦,而非等待量子計算機的技術或演算法,不失為一種探索高溫超導的方法之一!

資料來源:Innovation

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