Investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía dicen que han encontrado la primera prueba largamente buscada de que un modelo científico de comportamiento de materiales de décadas de antigüedad puede usarse para simular y comprender la superconductividad a alta temperatura, un aspecto importantepaso hacia la producción y el control de este fenómeno desconcertante a voluntad.
Las simulaciones que corrieron, publicadas en ciencia hoy, sugiera que los investigadores podrían activar y desactivar la superconductividad en materiales a base de cobre llamados cupratos ajustando su química para que los electrones salten de un átomo a otro en un patrón particular, como si saltaran al átomo diagonalmente al otro lado de la calleen lugar de a la de al lado.
"Lo importante que quieres saber es cómo hacer que los superconductores funcionen a temperaturas más altas y cómo hacer que la superconductividad sea más robusta", dijo el coautor del estudio Thomas Devereaux, director del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía SIMES enSLAC. "Se trata de encontrar las perillas que puede girar para inclinar la balanza a su favor"
El mayor obstáculo para hacer eso, dijo, ha sido la falta de un modelo, una representación matemática de cómo se comporta un sistema, que describe este tipo de superconductividad, cuyo descubrimiento en 1986 aumentó las esperanzas de que algún día se pueda transmitir electricidadsin pérdida para líneas eléctricas y trenes maglev perfectamente eficientes.
Si bien los científicos pensaron que el modelo Hubbard, utilizado durante décadas para representar el comportamiento de los electrones en numerosos materiales, podría aplicarse a los superconductores de alta temperatura cuprate, hasta ahora no tenían pruebas, dijo Hong-Chen Jiang, científico y coautor del personal SIMESdel informe
"Este ha sido un gran problema sin resolver en el campo: ¿describe el modelo Hubbard la superconductividad a alta temperatura en los cupratos, o le falta algún ingrediente clave?", Dijo. "Porque hay varios estados competidores enestos materiales, tenemos que confiar en simulaciones imparciales para responder a estas preguntas, pero los problemas computacionales son muy difíciles, por lo que el progreso ha sido lento ".
Las muchas caras de los materiales cuánticos
¿Por qué tan difícil?
Si bien muchos materiales se comportan de maneras muy predecibles: el cobre siempre es un metal, y cuando se rompe un imán, los bits siguen siendo magnéticos, los superconductores de alta temperatura son materiales cuánticos, donde los electrones cooperan para producir propiedades inesperadas.En este caso, se unen para conducir electricidad sin resistencia ni pérdida a temperaturas mucho más altas de lo que las teorías establecidas de superconductividad pueden explicar.
A diferencia de los materiales cotidianos, los materiales cuánticos pueden albergar varias fases o estados de la materia, a la vez, dijo Devereaux. Por ejemplo, un material cuántico podría ser metálico en un conjunto de condiciones, pero aislante en condiciones ligeramente diferentes. Los científicos puedeninclina el equilibrio entre las fases jugando con la química del material o la forma en que se mueven sus electrones, por ejemplo, y el objetivo es hacerlo de manera deliberada para crear nuevos materiales con propiedades útiles.
Uno de los algoritmos más poderosos para modelar situaciones como esta se conoce como grupo de renormalización de matriz de densidad, o DMRG. Pero debido a que estas fases coexistentes son tan complejas, usar el DMRG para simularlas requiere mucho tiempo de cálculo y memoria, y generalmente tomabastante tiempo, dijo Jiang.
Para reducir el tiempo de computación y alcanzar un nivel de análisis más profundo de lo que hubiera sido práctico antes, Jiang buscó formas de optimizar los detalles de la simulación. "Tenemos que simplificar cuidadosamente cada paso", dijo, "haciéndolo comoeficientes como sea posible e incluso encontrar formas de hacer dos cosas separadas a la vez ". Estas eficiencias permitieron al equipo ejecutar simulaciones DMRG del modelo Hubbard significativamente más rápido que antes, con aproximadamente un año de tiempo de cómputo en el clúster de cómputo Sherlock de Stanford y otras instalaciones enel campus SLAC.
saltando vecinos de electrones
Este estudio se centró en la delicada interacción entre dos fases que se sabe que existen en los cupratos: superconductividad a alta temperatura y franjas de carga, que son como un patrón de onda de mayor y menor densidad de electrones en el material. La relación entre estos estadosno está claro, algunos estudios sugieren que las franjas de carga promueven la superconductividad y otros sugieren que compiten con ella.
Para su análisis, Jiang y Devereaux crearon una versión virtual de un cuprate en una red cuadrada, como una cerca de alambre con agujeros cuadrados. Los átomos de cobre y oxígeno están confinados a planos en el material real, pero en la versión virtual se conviertenátomos individuales y virtuales que se sientan en cada una de las intersecciones donde se unen los cables. Cada uno de estos átomos virtuales puede acomodar como máximo dos electrones que pueden saltar o saltar libremente, ya sea a sus vecinos inmediatos en la red cuadrada o en diagonal a través de cada cuadrado.
Cuando los investigadores utilizaron DMRG para simular el modelo de Hubbard aplicado a este sistema, descubrieron que los cambios en los patrones de salto de los electrones tenían un efecto notable en la relación entre las franjas de carga y la superconductividad.
Cuando los electrones saltaron solo a sus vecinos inmediatos en la red cuadrada, el patrón de franjas de carga se hizo más fuerte y el estado superconductor nunca apareció. Cuando se permitió que los electrones saltaran en diagonal, las franjas de carga finalmente se debilitaron, pero no desaparecieron, y elfinalmente surgió un estado superconductor.
"Hasta ahora no podíamos avanzar lo suficiente en nuestro modelado para ver si las franjas de carga y la superconductividad pueden coexistir cuando este material está en su estado de energía más bajo. Ahora sabemos que lo hacen, al menos para sistemas de este tamaño", dijo Devereaux.
Añadió que aún es una pregunta abierta si el modelo de Hubbard describe todo el comportamiento increíblemente complejo de los cupratos reales. Incluso un pequeño aumento en la complejidad del sistema requeriría un gran salto en el poder del algoritmo utilizado para modelarlo."El tiempo que lleva hacer su simulación aumenta exponencialmente rápido con el ancho del sistema que desea estudiar", dijo Devereaux. "Es exponencialmente más complicado y exigente".
Pero con estos resultados, dijo, "Ahora tenemos un modelo totalmente interactivo que describe la superconductividad a alta temperatura, al menos para sistemas en los tamaños que podemos estudiar, y eso es un gran paso adelante".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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