In un articolo pubblicato su Science , i ricercatori segnalano una svolta nella nostra comprensione delle origini della superconduttività a temperature relativamente elevate (anche se ancora gelide). I risultati riguardano una classe di superconduttori che lascia perplessi gli scienziati dal 1986, chiamati "cuprati".

"Ci fu un'enorme eccitazione quando furono scoperti i superconduttori cuprati [nel 1986], ma non si capiva perché rimanessero superconduttori a temperature così elevate", afferma Shiwei Zhang, ricercatore senior presso il Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute. "Penso che sia sorprendente per tutti che quasi 40 anni dopo, non capiamo ancora bene perché fanno quello che fanno."

Nel nuovo articolo, Zhang e i suoi colleghi hanno ricreato con successo le caratteristiche della superconduttività cuprata con un semplice modello chiamato modello bidimensionale di Hubbard, che tratta i materiali come se fossero elettroni che si muovono attorno a una scacchiera quantistica. La svolta arriva solo pochi anni dopo che gli stessi ricercatori avevano dimostrato che la versione più semplice di questo modello non poteva compiere un’impresa del genere. Modelli così semplici possono stimolare una comprensione più profonda della fisica, afferma il coautore dello studio Ulrich Schollwöck, professore all'Università di Monaco.

"L'idea in fisica è quella di mantenere il modello il più semplice possibile perché è già abbastanza difficile di per sé", afferma Schollwöck. "Quindi all'inizio abbiamo studiato la versione più semplice immaginabile."

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno aggiunto al modello 2D di Hubbard la capacità degli elettroni di fare salti diagonali, come gli alfieri negli scacchi. Con questa modifica e migliaia di simulazioni durate settimane sui supercomputer, il modello dei ricercatori ha catturato la superconduttività e molte altre caratteristiche chiave dei cuprati precedentemente trovate negli esperimenti. Dimostrando che l'umile modello di Hubbard può descrivere la superconduttività cuprata, gli autori ne dimostrano il valore come piattaforma per comprendere perché e come emerge la superconduttività.

Per gran parte del secolo scorso, i fisici pensavano di aver capito perché alcuni materiali sono superconduttori. Pensavano che la superconduttività esistesse solo a temperature estremamente basse, inferiori a circa meno 243 gradi Celsius (circa 30 gradi sopra lo zero assoluto). Temperature così basse richiedono costosi sistemi di raffreddamento che utilizzano elio liquido.

Quando furono scoperti nel 1986, i cuprati sconvolsero il mondo della scienza essendo superconduttori a temperature molto più elevate. Verso la metà degli anni ’90, gli scienziati avevano scoperto che i cuprati rimanevano superconduttori fino a circa meno 123 gradi Celsius (circa 150 gradi sopra lo zero assoluto). Tali temperature possono essere raggiunte utilizzando azoto liquido relativamente economico.

Potete immaginare un cuprato come una lasagna di strati di ossido di rame alternati a strati di altri ioni. (Il nome "cuprato" deriva dalla parola latina per rame.) La superconduttività si verifica quando l'elettricità scorre senza resistenza attraverso gli strati di ossido di rame. La versione più semplice del modello Hubbard 2D utilizza solo due termini per rappresentare ogni strato come una scacchiera in cui gli elettroni possono saltare verso nord, sud, est e ovest.

"Quando ho iniziato a lavorare sul modello di Hubbard, agli albori della superconduttività ad alta temperatura, abbiamo pensato che una volta simulato il modello puro su una piccola 'scacchiera', avremmo compreso appieno la superconduttività", afferma il coautore dello studio Steven White. , professore all'Università della California, Irvine. "Ma man mano che sviluppavamo le tecniche, scoprimmo che il modello di Hubbard era molto più complicato di quanto pensassimo."

La meccanica quantistica crea questa complessità:gli strati sono abitati da elettroni, ciascuno con uno spin verso l’alto o verso il basso. Gli elettroni possono rimanere impigliati. Questo entanglement significa che gli elettroni non possono essere trattati separatamente anche quando sono distanti, rendendoli incredibilmente difficili da simulare su un computer.

"Sebbene il modello di Hubbard possa essere scritto come un'equazione che occupa solo una o due righe di testo, poiché è applicato a centinaia di atomi che interagiscono attraverso le strane leggi della meccanica quantistica, è possibile simularlo su un computer grande quanto la Terra per migliaia di anni e ancora non riesco a ottenere le risposte giuste", afferma White.

Per affrontare questo livello di complessità sono necessarie delle scorciatoie, e tali scorciatoie sono la specialità dei ricercatori. Negli anni '90, White e Zhang svilupparono separatamente tecniche ormai rinomate che riducono esponenzialmente i tempi di elaborazione. Per affrontare il modello estremamente complicato derivante dall’aggiunta del salto diagonale, i ricercatori hanno sposato queste due tecniche. Una tecnica considera gli elettroni più come particelle; l'altro ne enfatizza la struttura ondulatoria.

"La cosa più importante della combinazione è che l'uno è forte mentre l'altro è debole", afferma Schollwöck. "Potremmo fare una 'stretta di mano' in una determinata area in cui entrambi lavorano, certificando un metodo utilizzando l'altro, e poi esplorare l'ignoto dove solo uno di loro funziona." Un simile approccio collaborativo multimetodo è l'eredità della Simons Collaboration on the Many Electron Problem, che comprendeva molti scienziati del CCQ, afferma.

Oltre alle regole della meccanica quantistica per il movimento, il numero di elettroni sulla scacchiera influenza la fisica del modello. Da molti anni i fisici sanno che quando il numero di elettroni è uguale a quello degli spazi sulla scacchiera, gli elettroni formano uno schema stabile a scacchiera di rotazioni alternate su e giù. Questa configurazione non è superconduttiva, anzi, non è affatto conduttiva. I cuprati richiedono quindi una variazione del numero di elettroni.

Nel lavoro precedente di Zhang e dei suoi colleghi con il modello di Hubbard più semplice, l'aggiunta o la rimozione di elettroni non dava luogo alla superconduttività. Invece, la scacchiera stabile si è trasformata in un motivo a strisce, con strisce costituite da linee con elettroni extra o linee con buchi lasciati dagli elettroni rimossi.

Tuttavia, quando i ricercatori hanno aggiunto il fattore di salto diagonale al modello di Hubbard, le strisce si sono riempite solo parzialmente ed è emersa la superconduttività. Inoltre, il risultato corrispondeva approssimativamente ai risultati sperimentali sulle proprietà del cuprato.

"Le strisce sono strettamente in competizione con la superconduttività, o sono loro a causare la superconduttività, o è qualcosa nel mezzo?" chiede White. "La risposta attuale è qualcosa di intermedio, che è più complicata delle altre risposte."

Zhang afferma che l'articolo dimostra la continua importanza del modello di Hubbard e del calcolo "classico", ovvero lo sviluppo di tecniche e algoritmi che fanno un uso migliore dei computer normali invece di aspettare i computer quantistici.

"Dopo oltre 30 anni di intenso impegno da parte della comunità senza molte risposte affidabili, si è spesso sostenuto che per risolvere il modello di Hubbard si sarebbe dovuto attendere l'arrivo di un computer quantistico", afferma Zhang. "Questo sforzo non solo farà avanzare la ricerca sulla superconduttività ad alta temperatura, ma si spera stimolerà anche ulteriori ricerche utilizzando il calcolo "classico" per esplorare le meraviglie del mondo quantistico."

Ulteriori informazioni: Hao Xu et al, Coesistenza della superconduttività con strisce parzialmente riempite nel modello di Hubbard, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adh7691

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