量子突破揭示了令人困惑的高溫超導(dǎo)體

超高速懸浮列車、遠距離無損電力傳輸、更快的核磁共振成像機——如果我們能夠制造出一種在室溫附近無電阻或“超導(dǎo)”地傳輸電力的材料，那么所有這些奇妙的技術(shù)進步都可以在我們的掌握中。

在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員報告說，我們對相對較高(盡管仍然寒冷)溫度下超導(dǎo)性起源的理解取得了突破。這些發(fā)現(xiàn)涉及自 1986 年以來一直困擾科學(xué)家的一類超導(dǎo)體，稱為“銅酸鹽”。

“[1986 年]發(fā)現(xiàn)銅酸鹽超導(dǎo)體時，人們感到非常興奮，但不明白為什么它們在如此高的溫度下仍保持超導(dǎo)性，”熨斗研究所計算量子物理中心 (CCQ) 的高級研究科學(xué)家張世偉說。 “我認為讓每個人感到驚訝的是，近 40 年后，我們?nèi)匀徊惶靼姿麄優(yōu)槭裁匆鏊麄兯龅氖虑椤?rdquo;

在這篇新論文中，張和他的同事成功地用一個稱為二維哈伯德模型的簡單模型重現(xiàn)了銅酸鹽超導(dǎo)的特征，該模型將材料視為圍繞量子棋盤移動的電子。就在幾年前，同一位研究人員證明了該模型的最簡單版本無法實現(xiàn)這樣的壯舉，這一突破就出現(xiàn)了。研究合著者、慕尼黑大學(xué)教授烏爾里希·斯科爾沃克 (Ulrich Schollwöck) 表示，這種簡單的模型可以激發(fā)人們對物理學(xué)的更深入理解。

“物理學(xué)的想法是讓模型盡可能簡單，因為它本身就足夠困難了，”Schollwöck 說。 “所以一開始我們研究了可以想象到的最簡單的版本。”

在這項新研究中，研究人員在二維哈伯德模型中添加了電子進行對角跳躍的能力，就像國際象棋中的象一樣。通過這種調(diào)整和在超級計算機上進行數(shù)千周的模擬，研究人員的模型捕捉到了先前在實驗中發(fā)現(xiàn)的銅氧化物的超導(dǎo)性和其他幾個關(guān)鍵特征。通過證明簡單的哈伯德模型可以描述銅酸鹽超導(dǎo)性，作者證明了其作為理解超導(dǎo)性為何以及如何出現(xiàn)的平臺的價值。

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