Ученые, спустя десятилетия, все-таки нашли сверхпроводимость в модели Хаббарда

Москва, 14:02, 29 Сен 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Моделирование высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) остается исключительно сложной задачей. Ученые считают, что самая простая модель, которая захватывает ВТСП, — это модель Хаббарда. Однако доказать, что модель поддерживает сверхпроводимость, непросто.

Теперь ученые наконец-то обнаружили, что модель Хаббарда может быть использована для моделирования и понимания высокотемпературной сверхпроводимости.

Выполняя симуляции, специалисты могут включать и выключать сверхпроводимость в материалах на основе меди, называемых купратами, изменяя их химический состав.

Для этого исследования ученые создали виртуальную версию купрата на квадратной решетке, похожую на проволочный забор с квадратными отверстиями. Атомы меди и кислорода связаны с плоскостями в исходном материале; однако в виртуальной версии они становятся единичными виртуальными атомами, которые находятся на пересечении пересечений проводов.

Каждый из этих виртуальных атомов может вместить почти два электрона, которым позволено прыгать — либо к их непосредственным соседям по квадратной решетке, либо по диагонали через каждый квадрат.

Применяя один из самых мощных алгоритмов для моделирования подобных ситуаций, известных как группа перенормировки матрицы плотности, ученые заметили, что изменения в схемах скачкообразного изменения электронов оказали заметное влияние на связь между полосами заряда и сверхпроводимостью.

Паттерны прыжков электронов к их непосредственным соседям по квадратной решетке создали более сильные паттерны зарядных полос, но состояние сверхпроводимости не появилось. Когда электронам было позволено подпрыгивать по диагонали, зарядные полосы ослабли и, наконец, появилось сверхпроводящее состояние.

Компьютерное моделирование в SLAC и Стэнфорде предлагает способ включения и выключения сверхпроводимости в материалах на основе меди, называемый купратами. Эта сетка моделируемых атомов иллюстрирует идею. Атомы меди выделены оранжевым, атомы кислорода — красным, а электроны — синим.

Соавтор исследования Томас Деверо, директор Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) в SLAC, сказал: «До сих пор мы не могли продвинуться достаточно далеко в нашем моделировании, чтобы увидеть, могут ли полосы заряда и сверхпроводимость сосуществовать, когда этот материал находится в его самом низком энергетическом состоянии. Теперь мы знаем, что они делают, по крайней мере, для систем такого размера».

«До сих пор остается открытым вопрос, описывает ли модель Хаббарда все невероятно сложное поведение настоящих купратов. Даже небольшое увеличение сложности системы потребует огромного скачка в силе алгоритма, используемого для ее моделирования. Время, необходимое для симуляции, растет экспоненциально быстро с шириной системы, которую вы хотите изучить. Это экспоненциально сложнее и сложнее».

«Но с этими результатами у нас теперь есть полностью взаимодействующая модель, которая описывает высокотемпературную сверхпроводимость, по крайней мере, для систем с размерами, которые мы можем изучить, и это большой шаг вперед».

«Главное, что вы хотите знать, это как заставить сверхпроводники работать при более высоких температурах и как сделать сверхпроводимость более устойчивой. Речь идет о поиске ручек, которые вы можете повернуть, чтобы изменить баланс в свою пользу».

Исследование опубликовано в журнале Science.