量子突破揭示了令人困惑的高温超导体

超高速悬浮列车、远距离无损电力传输、更快的核磁共振成像机——如果我们能够制造出一种在室温附近无电阻或“超导”地传输电力的材料，那么所有这些奇妙的技术进步都可以在我们的掌握中。

在《科学》杂志上发表的一篇论文中，研究人员报告说，我们对相对较高(尽管仍然寒冷)温度下超导性起源的理解取得了突破。这些发现涉及自1986年以来一直困扰科学家的一类超导体，称为“铜酸盐”。

“[1986年]发现铜酸盐超导体时，人们感到非常兴奋，但不明白为什么它们在如此高的温度下仍保持超导性，”熨斗研究所计算量子物理中心(CCQ)的高级研究科学家张世伟说。“我认为让每个人感到惊讶的是，近40年后，我们仍然不太明白他们为什么要做他们所做的事情。”

在这篇新论文中，张和他的同事成功地用一个称为二维哈伯德模型的简单模型重现了铜酸盐超导的特征，该模型将材料视为围绕量子棋盘移动的电子。就在几年前，同一位研究人员证明了该模型的最简单版本无法实现这样的壮举，这一突破就出现了。研究合著者、慕尼黑大学教授乌尔里希·斯科尔沃克(UlrichSchollwöck)表示，这种简单的模型可以激发人们对物理学的更深入理解。

“物理学的想法是让模型尽可能简单，因为它本身就足够困难了，”Schollwöck说。“所以一开始我们研究了可以想象到的最简单的版本。”

在这项新研究中，研究人员在二维哈伯德模型中添加了电子进行对角跳跃的能力，就像国际象棋中的象一样。通过这种调整和在超级计算机上进行数千周的模拟，研究人员的模型捕捉到了先前在实验中发现的铜氧化物的超导性和其他几个关键特征。通过证明简单的哈伯德模型可以描述铜酸盐超导性，作者证明了其作为理解超导性为何以及如何出现的平台的价值。

在上个世纪的大部分时间里，物理学家认为他们理解为什么某些材料具有超导性。他们认为超导性只存在于低于约-243摄氏度(比绝对零以上约30度)的极低温度下。如此低的温度需要使用液氦的昂贵冷却系统。

1986年，当铜酸盐被发现时，它们在更高温度下的超导性震惊了科学界。到20世纪90年代中期，科学家们发现铜酸盐在高达-123摄氏度(比绝对零度高约150度)的温度下仍保持超导性。使用相对便宜的液氮可以达到这样的温度。

您可以将铜酸盐想象为氧化铜层与其他离子层交替的烤宽面条。(“铜酸盐”这个名字来自拉丁语中的“铜”。)当电流无电阻地流过氧化铜层时，就会产生超导性。二维哈伯德模型的最简单版本仅使用两个术语将每一层描绘成一个棋盘，电子可以在棋盘上向北、向南、向东、向西跳跃。

“当我在高温超导的早期开始研究哈伯德模型时，我们认为一旦我们在一个小‘棋盘’上模拟了纯模型，我们就会完全理解超导性，”研究合著者史蒂文怀特说，加州大学欧文分校教授。“但当我们开发这些技术时，我们发现哈伯德模型比我们想象的要复杂得多。”

量子力学创造了这种复杂性：这些层中居住着电子，每个电子都有向上或向下的自旋。电子可能会纠缠在一起。这种纠缠意味着即使相距很远也无法单独处理电子，这使得在计算机上模拟它们变得极其困难。

“虽然哈伯德模型可以写成只需要一两行文字的方程，但因为它适用于数百个原子通过量子力学的奇怪定律相互作用，所以我们可以在像地球一样大的计算机上模拟它几千年来仍然无法得到正确的答案，”怀特说。

处理这种程度的复杂性需要捷径——而这种捷径是研究人员的专长。在20世纪90年代，怀特和张分别开发了现在著名的技术，以指数方式缩短了计算时间。为了处理由于添加对角线跳跃而产生的极其复杂的模型，研究人员将这两种技术结合起来。一种技术认为电子更像粒子;另一种技术认为电子更像粒子。另一个则强调其波状结构。

“这种组合最重要的一点是，一方强，一方弱，”Schollwöck说道。“我们可以在它们都起作用的某个领域进行‘握手’，使用另一种方法来验证一种方法，然后探索只有其中一种方法起作用的未知领域。”他说，这种协作式多方法方法是西蒙斯多电子问题协作组的遗产，其中包括许多CCQ科学家。

除了运动的量子力学规则之外，棋盘上的电子数量也会影响模型的物理特性。多年来，物理学家已经知道，当电子数量与棋盘上的空间数量相同时，电子会形成上下自旋交替的稳定棋盘图案。这种装置不是超导的——事实上，它根本不导电。因此，铜酸盐需要改变电子数量。

在张和他的同事早期使用最简单的哈伯德模型的工作中，添加或删除电子并不会产生超导性。相反，稳定的棋盘变成了条纹图案，条纹由带有额外电子的线或带有被移除电子留下的空穴的线组成。

然而，当研究人员将对角线跳跃因子添加到哈伯德模型中时，条纹仅被部分填充，超导性出现了。此外，结果与铜酸盐特性的实验结果大致相符。

“条纹是与超导性严格竞争，还是它们导致了超导性，还是介于两者之间?”怀特问道。“目前的答案介于两者之间，比其他答案都更复杂。”

张说，这篇论文证明了哈伯德模型和“经典”计算的持续显着性，即开发能够更好地利用常规计算机而不是等待量子计算机的技术和算法。

张说：“经过社区30多年的不懈努力，但没有找到许多可靠的答案，人们经常认为解决哈伯德模型必须等待量子计算机的出现。”“这项努力不仅将推进高温超导的研究，而且有望刺激更多使用‘经典’计算的研究来探索量子世界的奇迹。”