Lige siden deres opdagelse for næsten fire årtier siden har superledere af høj temperatur fascinerede forskere og ingeniører. Disse materialer, primært cuprates, trodser klassisk forståelse, fordi de udfører elektricitet uden modstand ved temperaturer langt højere end traditionelle superledere. På trods af årtiers forskning har vi stadig ikke et klart, omfattende mikroskopisk billede af, hvordan superledelse fremkommer i disse komplekse materialer.
Under min ph.d. Hos Caltech blev jeg fascineret af det dybe puslespil præsenteret af høje temperatur superledere: Kan vi direkte beregne deres superledende egenskaber fra grundlæggende kvantemekanik uden at stole på forenklede modeller eller tilnærmelser? Med dette spørgsmål begyndte jeg på en udfordrende, men givende videnskabelig rejse.
Hvorfor cuprates er specielle og udfordrende
Cuprates er lagdelte forbindelser sammensat primært af kobber-iltplaner. I deres udopede overordnede tilstand er de isolatorer og antiferromagnets, hvilket betyder, at elektronets spins justerer antiparallel i tilstødende kobberatomer. Introduktion af et lille antal huller eller elektroner transformerer dem dramatisk, hvilket får superledelse til at vises. At fange denne overgang og den detaljerede parringsmekanisme i atomskalaen har imidlertid vist sig berygtet udfordrende for teoretikere.
Vores nylige undersøgelse tackler denne mangeårige udfordring. Sammen med samarbejdspartnere fra Caltech, Columbia og Berkeley udviklede vi en avanceret beregningsramme for at simulere og forudsige superledelse fra første principper – hvilket betyder, at vores beregninger starter direkte fra atompositioner uden forenklinger. Arbejdet offentliggøres i Naturkommunikation.
Tryk, lag og superledende
Vi fokuserede specifikt på to spændende og bredt observerede fænomener i cuprate superledere:
- Trykseffekten: Når der påføres tryk på cupratplaner, stiger deres superledende temperaturer typisk.
- Lagetsffekten: Cuprate superledere med forskellige antal kobber-iltlag udviser forskellige superledende temperaturer (første stigning med antallet af lag og falder derefter).
Bemærkelsesværdigt gengav vores ab initio-simuleringer med succes disse velkendte eksperimentelle observationer uden forudjusteringsparametre eller ved hjælp af monterede data. Faktisk kunne vi direkte observere parringsordren – den essentielle kvanteegenskab bag superledningsevne – og beregne parringshuller, der vedrører tæt til superledende temperaturer.
Dyb dykke: Spin og opladning af udsving i parring
Hvad får superledelse til at ske ved mikroskopiske skalaer? Vores beregninger afslørede, at nøglen ligger i to kritiske typer kvanteudsving:
- Spin-svingninger: Magnetiske interaktioner med kort rækkevidde primært blandt kobberatomer.
- Opladning af svingninger: bevægelser og omarrangementer af elektrondensitet blandt kobber- og iltatomer.
Disse udsving, der forekommer i korte afstande – bare et par atomer fra hinanden – handler sammen for at muliggøre superledningsevne. Interessant nok viste det sig, at spin -svingninger er afgørende for parring, mens ladningsvingninger sætter scenen ved at indstille det elektroniske miljø omkring kobberatomer.
Identificering af fingeraftryk af superledelse
Kan vi hurtigt estimere, hvor superkonduktiv et materiale kan være fra enklere egenskaber? Vores simuleringer identificerede to ligetil “deskriptorer”:
- Magnetisk udvekslingskobling (J): Et mål for, hvor stærkt nabolande spins interagerer.
- Cu – O Covalency: i hvilket omfang elektroner deles mellem kobber- og iltatomer.
Disse deskriptorer korrelerede stærkt med beregnede superledende egenskaber, hvilket gav værdifulde tip om, hvordan strukturelle ændringer eller kemiske substitutioner kan påvirke superledningsevnen.
Vejen frem – brodangersteori og eksperiment
Evnen til pålideligt at simulere superledere af høj temperatur fra første principper repræsenterer et betydeligt skridt fremad. Mens vores beregninger endnu ikke fanger alle kompleksiteter-som fononer (atomvibrationer), strukturel lidelse og eksplicitte dopingmiddeleffekter-illustrerer de tydeligt, at en komplet mikroskopisk beskrivelse af høj-temperatur superledningsevne er opnåelig.
Vores håb er, at denne ab initio -tilgang giver forskere mulighed for hurtigere at identificere lovende superledende materialer og bedre forstå eksisterende. Måske mest spændende kunne de metoder, vi udviklede, vejlede eksperimentelle mod nye materialer med endnu højere superledende temperaturer, hvilket bragte os tættere på praktiske anvendelser inden for energioverførsel, transport og kvanteteknologi.
Mysterierne med høj temperatur superledningsevne er ikke blevet løst fuldt ud-men vi er nu tættere end nogensinde på at forstå dem på deres mest grundlæggende niveau. Denne rejse er lige begyndt, og jeg er begejstret over at se, hvor den tager os næste gang.
Denne historie er en del af Science X -dialogen, hvor forskere kan rapportere fund fra deres offentliggjorte forskningsartikler. Besøg denne side for information om Science X -dialogen og hvordan man deltager.