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  • 铜基超导体又有新发现,让电流流动的能力,来自电子的排列方式

    科学家使用一种强大的计算机模型来探索一类令人费解的铜基材料,这种材料可以转变为超导体。其发现为一个数十年来的谜团提供了诱人线索,并为量子计算向前迈进了一步。物质让电流流动的能力来自其原子内电子的排列方式,根据这些排列或配置,那里的所有材料要么是绝缘体,要么是导体。但是铜酸盐,一种由铜氧化物制成的神秘材料,在科学界很出名。

    铜基超导体又有新发现,让电流流动的能力,来自电子的排列方式

    因为它有一些身份问题,可以使它们既是绝缘体又是导体。在正常情况下,铜酸盐是绝缘体:抑制电子流动的材料。但通过调整组成,它们就可以转变为世界上最好的超导体。1986年,这种超导电性的发现为其发现者赢得了1987年诺贝尔奖,并以改进超级计算和其他关键技术的无限可能性吸引了科学界。但随之而来的是30年困惑:科学家们还没有完全破译编码铜酸盐超导电性的电子排列。东北大学物理学特聘教授阿伦·班西尔(Arun Bansil)表示:

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    绘制这些材料的电子构型,可以说是理论物理学中最艰巨的挑战之一。而且,由于超导是一种奇怪现象,只有在零下149摄氏度的温度下才会发生(或大约与天王星上的温度一样低),首先找出使其成为可能的机制,可以帮助研究人员制造在室温下工作的超导体。现在,包括班西尔和东北大学物理学教授罗伯特·马尔凯维奇在内的一组研究人员,正在提出一种新方法来模拟这些导致铜酸盐超导电性的奇怪机制。

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    在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中,研究小组准确地预测了电子在一组名为钇钡铜氧化物的铜酸盐中,移动以实现超导电性时的行为。研究发现,在这些铜酸盐中,超导电性来自多种类型的电子构型,具体地说多达26个。在这个过渡阶段,材料本质上会变成不同阶段的某种汤,这些奇妙材料的分裂特性现在首次被揭示出来。铜酸盐超导体内部物理本质上是奇怪的,Markiewicz认为这种复杂性是印度关于盲人和大象的经典神话。

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    几十年来,这一直是研究铜矿理论物理学家的笑话。根据这个神话,盲人第一次遇到大象,并试图通过触摸它来了解它是什么。但由于它们每一个都只触及身体的一个部位,例如鼻子、尾巴或腿,它们对大象都有不同(且有限的)概念。一开始,都以不同的方式看待(铜矿),但研究人员知道,正确的方式迟早会出现。铜酸盐背后的机制,还可以帮助解释在极端温度下变成超导体其他材料背后令人费解的物理原理。

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    并彻底改变它们被用来实现量子计算和其他以超高速处理数据的技术方式。研究正在试图理解它们是如何在实验中,使用真正的铜酸盐中聚集在一起。对铜酸盐超导体建模的挑战,归根结底是量子力学中的怪异领域,它研究最微小物质的行为和运动,以及在原子尺度上支配一切的奇怪物理规则。在任何给定的材料中(比如智能手机中的金属)仅仅是指尖空间内包含的电子,就可能相当于数字1后面跟着22个0。

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    自从量子力学领域诞生以来,对如此大量电子进行物理建模一直是极具挑战性的。科学家喜欢把这种复杂性想象成罐子里的蝴蝶飞得又快又聪明,以避免相互碰撞。在导电材料中,电子也会四处移动,由于物理力量的共同作用,它们也会相互回避。这些特性是铜酸盐材料难以建模的核心。铜酸盐的问题是,它们处于金属和绝缘体之间,需要一个非常好的计算方法,它可以系统地捕捉到这种交叉,它们处于金属和绝缘体之间的边界上。

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    所以需要一个非常好的计算方法,以便它可以系统地捕捉到这种交叉,新研究的模型可以捕捉到这种行为。该团队包括来自杜兰大学、芬兰拉彭兰塔理工大学和坦普尔大学的研究人员。研究人员是第一个对铜酸盐中电子态进行建模的人,而不需要像物理学家过去必须做的那样,在他们的计算中手动添加参数。为了做到这一点,研究人员模拟了钇钡铜氧化物原子在最低水平的能量。这样做可以让研究人员在电子激发和移动时追踪它们,这反过来又有助于描述支持临界转变为超导的机制。

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    这种转变,在材料中被称为伪隙阶段,可以简单地描述为一扇门。在绝缘体中,材料的结构就像一扇关闭的门,没有人可以通过。如果门是敞开的,就像导体一样,电子很容易通过。但在经历了这个伪隙阶段的材料中,这扇门会微微打开。是什么将这扇门转变为真正敞开门的动力学仍然是一个谜,但新模型捕捉到了26个可能做到这一点的电子配置。有了现在能够进行这种第一原则、无参数类型的建模,就有能力真正走得更远,并有望开始更好地理解这个伪空隙阶段。

    铜基超导体又有新发现,让电流流动的能力,来自电子的排列方式

    博科园|研究/来自:东北大学

    参考期刊《美国国家科学院院刊》

    DOI: 10.1073/pnas.1910411116

    博科园|科学、科技、科研、科普

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