研究人员在理解铜氧化物高温超导性方面取得突破

在5月10日出版的《科学》杂志上发表的一项开创性研究中，研究人员在了解铜酸盐材料高温超导性的起源方面取得了重大进展。这些发现可能为超高速悬浮列车、远程无损电力传输和更快的核磁共振机器等技术进步铺平道路。

铜酸盐于1986年被发现，由于其在相对较高温度下具有超导性的能力，近四十年来一直困扰着科学家。“[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。”

一个简单的模型捕捉铜酸盐超导性

张和他的同事使用一种称为二维哈伯德模型的简单模型成功地重新创建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。

“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，”该研究的合著者、慕尼黑大学教授UlrichSchollwöck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。

揭示量子力学的复杂性

铜酸盐的层中居住着电子，每个电子都有向上或向下自旋。电子可能会纠缠在一起，这意味着即使相距很远也无法单独处理它们，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一个只需要一两行文本的方程，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研究报告的合著者、加州大学欧文分校教授史蒂文·怀特(StevenWhite)说：“几千年来，我们仍然无法得到正确的答案。”

为了处理这种程度的复杂性，研究人员结合了White和Zhang在90年代分别开发的两种著名技术。协作多方法方法是SimonsCollaborationontheManyElectronProblem的遗产，其中包括许多CCQ科学家。

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。“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，”张说。“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。”