Niedawne badanie z wykorzystaniem technik obliczeniowych ujawniło nowy wgląd w stan pseudoprzerwy, będący poważnym wyzwaniem w fizyce kwantowej związanym z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym.
Naukowcy wykorzystali wyrafinowany algorytm znany jako diagrammatic Monte Carlo do symulacji zachowań elektronów w materiałach nadprzewodzących, co doprowadziło do potencjalnych przełomów w zrozumieniu nadprzewodnictwa w temperaturach pokojowych, co mogłoby zrewolucjonizować przenoszenie mocy i inne technologie.
Przełom w fizyce kwantowej: zrozumienie pseudoprzerwy
Sprytnie stosując technikę obliczeniową, naukowcy dokonali przełomu w zrozumieniu „pseudoprzerwy”, długoletniej zagadki fizyki kwantowej ściśle powiązanej z nadprzewodnictwem. Odkrycie, zaprezentowane w wydaniu z 20 września Naukapomoże naukowcom w poszukiwaniach nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, świętego Graala fizyki materii skondensowanej, który umożliwiłby bezstratne przesyłanie mocy, szybsze maszyny MRI i superszybkie lewitujące pociągi.
Niektóre materiały zawierające miedź i tlen wykazują nadprzewodnictwo (w którym prąd przepływa bez oporu) w stosunkowo wysokich – ale wciąż mroźnych – temperaturach poniżej minus 140 stopni Celsjusz. W wyższych temperaturach materiały te wpadają w tak zwany stan pseudoszczeliny, w którym czasami zachowują się jak normalny metal, a czasami bardziej jak półprzewodniki. Naukowcy odkryli, że pseudoprzerwa pojawia się we wszystkich tak zwanych wysokotemperaturowych materiałach nadprzewodzących. Ale nie rozumieli, dlaczego i jak się pojawia, ani czy utrzymuje się, gdy temperatura spada do absolutne zero (minus 273,15 stopnia Celsjusza), nieosiągalna dolna granica temperatury, w której zatrzymuje się ruch molekularny.
Wgląd w nadprzewodnictwo i pseudoprzerwę
Dzięki lepszemu zrozumieniu, jak pojawia się pseudoprzerwa i jaki ma ona związek z teoretycznymi właściwościami materiałów nadprzewodzących w temperaturze zera absolutnego, naukowcy uzyskują jaśniejszy obraz tych materiałów, mówi współautor badania, Antoine Georges, dyrektor Centrum Obliczeniowego Kwantu w Instytucie Flatiron Fizyka.
„To tak, jakbyś miał krajobraz i dużo mgły, a wcześniej było widać tylko kilka dolin i kilka szczytów” – mówi. „Teraz mgła się rozwiewa i możemy zobaczyć więcej całego krajobrazu. To naprawdę ekscytujący czas.”
Wyzwania obliczeniowe w badaniach kwantowych
Fizycy kwantowi mogą badać stany takie jak pseudoprzerwa za pomocą metod obliczeniowych modelujących zachowanie elektronów w materiale. Obliczenia te są jednak niezwykle trudne ze względu na splątanie kwantowe, w którym elektrony łączą się i nie można ich traktować indywidualnie, nawet po ich rozdzieleniu. Dla kilkudziesięciu elektronów bezpośrednie obliczenie zachowania wszystkich cząstek jest niemożliwe.
„Obliczanie właściwości tych materiałów jest niezwykle trudne — nie można ich dokładnie symulować nawet na najpotężniejszym komputerze, jaki można sobie wyobrazić” – mówi Georges. „Trzeba uciekać się do sprytnych algorytmów i uproszczonych modeli”.
Niwelowanie różnic temperaturowych w modelach kwantowych
Jeden ze słynnych modeli nazywa się modelem Hubbarda: badacze traktują materiał jak szachownicę, po której elektrony mogą przeskakiwać między sąsiednimi przestrzeniami niczym wieża. Elektrony mogą mieć spin w górę lub w dół. Dwa elektrony mogą dzielić przestrzeń na planszy tylko wtedy, gdy mają przeciwne spiny i płacą koszt energii. Dzięki temu modelowi, który powstał w latach sześćdziesiątych XX wieku, naukowcy mogą stosować różne metody obliczeniowe, z których każda ma mocne i słabe strony w różnych sytuacjach.
„Istnieje klasa metod, które działają bardzo dobrze w temperaturze zerowej, i inna klasa metod, które działają bardzo dobrze w skończonych temperaturach” – mówi Fedor Šimkovic IV, główny autor nowego badania, który był doktorantem we współautorze autor Michel Ferrero w École Polytechnique i Collège de France w Paryżu, a obecnie jest kierownikiem zespołu w IQM Quantum Computers w Monachium, Niemcy. „Te dwa światy zwykle ze sobą nie rozmawiają, ponieważ pomiędzy nimi, w bardzo niskich, ale skończonych temperaturach, w rzeczywistości znajduje się reżim najtrudniejszy obliczeniowo”.
Postępy w Diagrammatic Monte Carlo
Ten stan pośredni to dokładnie miejsce, w którym znajduje się pseudoprzerwa. Aby rozwiązać ten problem, zespół zastosował algorytm o nazwie diagrammatic Monte Carlo, który został po raz pierwszy opisany w 1998 r.; został on poprawiony w 2017 r. przez Riccardo Rossiego, współautora nowej pracy. W przeciwieństwie do kwantowego Monte Carlo, owocnego i dobrze znanego algorytmu, który wykorzystuje losowość do badania małych obszarów modelu na raz i skleja te badania w celu wyciągnięcia wniosków, schematyczne Monte Carlo uwzględnia interakcje na całej szachownicy jednocześnie.
„Podejście do schematycznego Monte Carlo jest zupełnie inne” – mówi Rossi, badacz w CNRS i na Sorbonie. „W zasadzie możemy symulować nieskończoną liczbę cząstek”.
Przyszłe kierunki symulacji kwantowych i nadprzewodnictwa
Uzbrojony w schematyczne Monte Carlo, zespół odkrył, co dzieje się z materiałami pseudoprzerwowymi, gdy ochładzają się do zera absolutnego. Z poprzednich badań wiedzieli, że materiały mogą zacząć nadprzewodnictwo lub mogą powstać „paski”, w których elektrony organizują się w rzędy pasujących spinów oddzielonych rzędami pustych kwadratów.
To, który stan wchodzi model Hubbarda przy zera absolutnym, zależy od liczby elektronów. Kiedy model zawiera dokładnie tyle elektronów, ile jest pól szachownicy, cała plansza staje się stabilnym wzorem szachownicy o spinach w górę i w dół, czyniąc materiał izolatorem elektrycznym (głęboko nieinteresującym dla badań nadprzewodnikami, ponieważ izolatory są przeciwieństwem przewodników). Dodawanie lub odejmowanie elektronów może powodować nadprzewodnictwo i/lub paski.
W wyższych temperaturach, w których elektrony nadal się poruszają, badacze wiedzieli, że odebranie elektronów powoduje pseudoprzerwę, ale nie wiedzieli, co się dzieje, gdy materiał się ochładza.
„Debatowano, czy pseudoprzerwa zawsze ewoluuje w stan paskowy” – mówi Georges. „Nasz artykuł odpowiada na to ważne pytanie w tej dziedzinie i zamyka to okno”. Badanie ujawniło, że gdy materiały w pseudoszczelinie ochładzają się do zera absolutnego, rzeczywiście pojawiają się na nich paski. Co ciekawe, dodaje Georges, modyfikując model Hubbarda, aby umożliwić ruchy ukośne, takie jak ruchy biskupa, powoduje, że pseudoprzerwa ewoluuje w nadprzewodnik w miarę ochładzania.
Implikacje dla symulatorów gazów kwantowych
W artykule udzielono także odpowiedzi na pytanie, co jest przyczyną pseudoprzerwy, w której układ elektronów nie jest już jednolity, jak w przypadku zera absolutnego, ale zamiast tego zawiera pewne obszary prążkowane, niektóre kwadraty z dwoma elektronami, niektóre dziury i pewne plamy wzorów szachownicy. Naukowcy ustalili, że gdy tylko w układach elektronów pojawiły się plamy szachownicy, materiały wpadały w pseudoprzerwę. Te dwie ważne odpowiedzi na temat pseudoprzerwy pomagają w dalszym rozwikłaniu modelu Hubbarda.
„Na szerszym poziomie cała ta sprawa jest częścią zbiorowego wysiłku społeczności naukowej mającego na celu połączenie podejść obliczeniowych w celu rozłupania tych trudnych orzechów” – mówi Georges. „Żyjemy w czasach, w których wreszcie te problemy zostają wyjaśnione”.
Wyniki te przydadzą się także w innych zastosowaniach wykraczających poza obliczenia numeryczne, w tym w symulacji gazów kwantowych, czyli w dziedzinie liczącej 20 lat na styku optyki kwantowej i fizyki materii skondensowanej. W tych eksperymentach atomy są schładzane do ultraniskich temperatur, a następnie uwięzione przez lasery w siatce podobnej do modelu Hubbarda. Dzięki nowym osiągnięciom w optyce kwantowej badacze mogą teraz obniżyć te temperatury niemal do punktu, w którym tworzy się pseudoprzerwa, łącząc teorię i eksperyment.
„Nasz artykuł ma bezpośredni związek z symulatorami ultrazimnego gazu kwantowego” – mówi Georges. „Te symulatory kwantowe są teraz o krok od zaobserwowania zjawiska pseudoprzerwy, dlatego spodziewam się naprawdę interesujących odkryć w ciągu nadchodzącego roku lub dwóch”.
Odniesienie: „Origin and los the pseudogap in the doped Hubbard model” Fedor ŠimkovicIV, Riccardo Rossi, Antoine Georges i Michel Ferrero, 20 września 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ade9194
