I ricercatori della Stanford University e del Dipartimento dell'Energia SLAC National Accelerator Laboratory affermano di aver trovato il primo, prova a lungo cercata che un modello scientifico del comportamento dei materiali vecchio di decenni può essere utilizzato per simulare e comprendere la superconduttività ad alta temperatura, un passo importante verso la produzione e il controllo di questo sconcertante fenomeno a piacimento.

Le simulazioni che hanno eseguito, pubblicato in Scienza oggi, suggeriscono che i ricercatori potrebbero essere in grado di attivare e disattivare la superconduttività nei materiali a base di rame chiamati cuprati modificando la loro chimica in modo che gli elettroni saltino da un atomo all'altro secondo uno schema particolare, come se saltellassero sull'atomo in diagonale dall'altra parte della strada piuttosto che su quello porta accanto.

"La grande cosa che vuoi sapere è come far funzionare i superconduttori a temperature più elevate e come rendere la superconduttività più robusta, ", ha affermato il coautore dello studio Thomas Devereaux, direttore dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso SLAC. "Si tratta di trovare le manopole che puoi girare per far pendere la bilancia a tuo favore."

Il più grande ostacolo per farlo, Egli ha detto, è stata la mancanza di un modello, una rappresentazione matematica di come si comporta un sistema, che descriva questo tipo di superconduttività, la cui scoperta nel 1986 ha sollevato la speranza che un giorno l'elettricità potesse essere trasmessa senza perdite per linee elettriche e treni maglev perfettamente efficienti.

Mentre gli scienziati pensavano al modello Hubbard, utilizzato per decenni per rappresentare il comportamento degli elettroni in numerosi materiali, potrebbe applicarsi ai superconduttori cuprati ad alta temperatura, fino ad ora non avevano prove, disse Hong-Chen Jiang, uno scienziato dello staff SIMES e coautore del rapporto.

"Questo è stato un grosso problema irrisolto nel campo:il modello di Hubbard descrive la superconduttività ad alta temperatura nei cuprati, o manca qualche ingrediente chiave?" ha detto. "Poiché ci sono un certo numero di stati in competizione in questi materiali, dobbiamo fare affidamento su simulazioni imparziali per rispondere a queste domande, ma i problemi di calcolo sono molto difficili, e quindi i progressi sono stati lenti".

Le mille facce dei materiali quantistici

Perché così difficile?

Sebbene molti materiali si comportino in modi molto prevedibili:il rame è sempre un metallo, e quando rompi un magnete i bit sono ancora magnetici:i superconduttori ad alta temperatura sono materiali quantistici, dove gli elettroni cooperano per produrre proprietà inaspettate. In questo caso, si accoppiano per condurre elettricità senza resistenza o perdita a temperature molto più elevate di quanto possano spiegare le teorie consolidate sulla superconduttività.

A differenza dei materiali di uso quotidiano, i materiali quantistici possono ospitare una serie di fasi, o stati della materia, subito, Ha detto Devereaux. Ad esempio, un materiale quantistico potrebbe essere metallico in una serie di condizioni, ma isolante in condizioni leggermente diverse. Gli scienziati possono ribaltare l'equilibrio tra le fasi armeggiando con la chimica del materiale o il modo in cui i suoi elettroni si muovono, ad esempio, e l'obiettivo è farlo in modo deliberato per creare nuovi materiali con proprietà utili.

Uno degli algoritmi più potenti per modellare situazioni come questa è noto come gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità, o DMRG. Ma poiché queste fasi coesistenti sono così complesse, l'uso del DMRG per simularli richiede molto tempo di calcolo e memoria e in genere richiede un po' di tempo, ha detto Jiang.

Per ridurre il tempo di calcolo e raggiungere un livello di analisi più profondo di quanto sarebbe stato pratico prima, Jiang ha cercato modi per ottimizzare i dettagli della simulazione. "Dobbiamo snellire attentamente ogni passaggio, " Egli ha detto, "rendendolo il più efficiente possibile e persino trovare modi per fare due cose separate contemporaneamente". Queste efficienze hanno permesso al team di eseguire simulazioni DMRG del modello Hubbard significativamente più velocemente di prima, con circa un anno di tempo di elaborazione presso il cluster di elaborazione Sherlock di Stanford e altre strutture nel campus SLAC.

Vicini di elettroni saltellanti

Questo studio si è concentrato sulla delicata interazione tra due fasi note per esistere nei cuprati:superconduttività ad alta temperatura e strisce di carica, che sono come un modello d'onda di densità elettronica più alta e più bassa nel materiale. La relazione tra questi stati non è chiara, con alcuni studi che suggeriscono che le strisce di carica promuovono la superconduttività e altri suggeriscono che competono con essa.

Per la loro analisi, Jiang e Devereaux hanno creato una versione virtuale di un cuprato su un reticolo quadrato, come un recinto di filo metallico con fori quadrati. Gli atomi di rame e ossigeno sono confinati ai piani nel materiale reale, ma nella versione virtuale diventano single, atomi virtuali che si trovano a ciascuna delle intersezioni in cui i fili si incontrano. Ciascuno di questi atomi virtuali può ospitare al massimo due elettroni liberi di saltare o saltare, o verso i loro vicini immediati sul reticolo quadrato o diagonalmente attraverso ciascun quadrato.

Quando i ricercatori hanno usato DMRG per simulare il modello Hubbard applicato a questo sistema, hanno scoperto che i cambiamenti nei modelli di salto degli elettroni hanno avuto un effetto notevole sulla relazione tra strisce di carica e superconduttività.

Quando gli elettroni saltano solo ai loro vicini immediati sul reticolo quadrato, lo schema delle strisce di carica è diventato più forte e lo stato superconduttore non è mai apparso. Quando gli elettroni potevano saltare in diagonale, le strisce di carica alla fine si sono indebolite, ma non se ne andò, e finalmente emerse lo stato superconduttore.

"Finora non siamo riusciti a spingerci abbastanza lontano nella nostra modellizzazione per vedere se le strisce di carica e la superconduttività possono coesistere quando questo materiale è nel suo stato energetico più basso. Ora sappiamo che lo fanno, almeno per impianti di queste dimensioni, " Ha detto Devereaux.

È ancora una questione aperta se il modello Hubbard descriva tutto il comportamento incredibilmente complesso dei veri cuprati, Ha aggiunto. Anche un piccolo aumento della complessità del sistema richiederebbe un enorme balzo in avanti nella potenza dell'algoritmo utilizzato per modellarlo. "Il tempo necessario per eseguire la simulazione aumenta in modo esponenziale con la larghezza del sistema che si desidera studiare, " Ha detto Devereaux. "È esponenzialmente più complicato ed esigente."

Ma con questi risultati, Egli ha detto, "Ora abbiamo un modello completamente interattivo che descrive la superconduttività ad alta temperatura, almeno per i sistemi alle dimensioni che possiamo studiare, e questo è un grande passo avanti".