Quantendurchbruch bringt Licht auf verblüffende Hochtemperatur-Supraleiter

Superschnelle schwebende Züge, verlustfreie Energieübertragung über große Entfernungen, schnellere MRT-Geräte – all diese fantastischen technologischen Fortschritte könnten wir erreichen, wenn wir nur ein Material herstellen könnten, das Elektrizität ohne Widerstand – oder „Supraleiter“ – bei etwa Raumtemperatur überträgt.

In einem Papier veröffentlicht In Wissenschaftberichten Forscher über einen Durchbruch in unserem Verständnis der Ursprünge der Supraleitung bei relativ hohen (wenn auch immer noch kalten) Temperaturen. Die Ergebnisse betreffen eine Klasse von Supraleitern, die Wissenschaftler seit 1986 vor Rätsel stellen und als „Cuprate“ bezeichnet werden.

„Die Aufregung war enorm, als Kuprat-Supraleiter entdeckt wurden [in 1986]aber kein Verständnis dafür, warum sie bei so hohen Temperaturen supraleitend bleiben“, sagt Shiwei Zhang, leitender Forscher am Center for Computational Quantum Physics (CCQ) des Flatiron Institute. „Ich denke, es ist für alle überraschend, dass wir fast 40 Jahre später Ich verstehe immer noch nicht ganz, warum sie tun, was sie tun.

In der neuen Arbeit haben Zhang und seine Kollegen erfolgreich Merkmale der Kuprat-Supraleitung mit einem einfachen Modell namens zweidimensionales Hubbard-Modell nachgebildet, das die Materialien so behandelt, als wären sie Elektronen, die sich auf einem Quantenschachbrett bewegen. Der Durchbruch gelang nur wenige Jahre, nachdem dieselben Forscher die einfachste Version dieses Modells nachgewiesen hatten konnte eine solche Leistung nicht vollbringen. Solche einfachen Modelle können zu einem tieferen Verständnis der Physik führen, sagt Studienmitautor Ulrich Schollwöck, Professor an der Universität München.

„Die Idee in der Physik besteht darin, das Modell so einfach wie möglich zu halten, weil es für sich genommen schon schwierig genug ist“, sagt Schollwöck. „Also haben wir am Anfang die einfachste Version studiert, die man sich vorstellen kann.“

In der neuen Studie fügten die Forscher dem 2D-Hubbard-Modell die Fähigkeit von Elektronen hinzu, diagonale Sprünge auszuführen, wie Läufer im Schach. Mit dieser Optimierung und Tausenden von wochenlangen Simulationen auf Supercomputern erfasste das Modell der Forscher die Supraleitung und mehrere andere Schlüsselmerkmale von Cupraten, die zuvor in Experimenten gefunden wurden. Indem sie zeigen, dass das bescheidene Hubbard-Modell die Kuprat-Supraleitung beschreiben kann, beweisen die Autoren seinen Wert als Plattform zum Verständnis, warum und wie Supraleitung entsteht.

Während des größten Teils des letzten Jahrhunderts glaubten die Physiker zu verstehen, warum manche Materialien supraleitend sind. Sie gingen davon aus, dass Supraleitung nur bei extrem niedrigen Temperaturen unter etwa minus 243 Grad Celsius (etwa 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt) existierte. Solche niedrigen Temperaturen erfordern teure Kühlsysteme, die flüssiges Helium verwenden.

Als Cuprate 1986 entdeckt wurden, schockierten sie die Welt der Wissenschaft, da sie bei viel höheren Temperaturen supraleitend waren. Mitte der 1990er Jahre hatten Wissenschaftler Kuprate entdeckt, die bis etwa minus 123 Grad Celsius (etwa 150 Grad über dem absoluten Nullpunkt) supraleitend blieben. Solche Temperaturen können mit relativ billigem flüssigem Stickstoff erreicht werden.

Man kann sich ein Cuprat als eine Lasagne aus Kupferoxidschichten vorstellen, die sich mit Schichten anderer Ionen abwechseln. (Der Name „Cuprat“ kommt vom lateinischen Wort für Kupfer.) Supraleitung entsteht, wenn Elektrizität ohne Widerstand durch die Kupferoxidschichten fließt. Die einfachste Version des 2D-Hubbard-Modells verwendet nur zwei Begriffe, um jede Schicht als Schachbrett darzustellen, auf dem Elektronen nach Norden, Süden, Osten und Westen springen können.

„Als ich in den Anfängen der Hochtemperatursupraleitung mit der Arbeit am Hubbard-Modell begann, dachten wir, dass wir die Supraleitung vollständig verstehen würden, wenn wir das reine Modell erst einmal auf einem kleinen ‚Schachbrett‘ simuliert hätten“, sagt Mitautor der Studie, Steven White , Professor an der University of California, Irvine. „Aber als wir die Techniken entwickelten, stellten wir fest, dass das Hubbard-Modell viel komplizierter war, als wir dachten.“

Die Quantenmechanik erzeugt diese Komplexität: Die Schichten werden von Elektronen bewohnt, die jeweils entweder einen Aufwärts- oder einen Abwärtsspin haben. Die Elektronen können sich verschränken. Diese Verschränkung bedeutet, dass die Elektronen selbst dann nicht getrennt behandelt werden können, wenn sie weit voneinander entfernt sind, was es unglaublich schwierig macht, sie auf einem Computer zu simulieren.

„Obwohl das Hubbard-Modell als Gleichung niedergeschrieben werden kann, die nur ein oder zwei Zeilen Text erfordert, könnte man es auf einem Computer simulieren, der so groß wie die Erde ist, da es auf Hunderte von Atomen angewendet wird, die durch die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik interagieren „Ich habe schon seit Tausenden von Jahren daran gearbeitet und bin immer noch nicht in der Lage, die richtigen Antworten zu finden“, sagt White.

Um mit dieser Komplexität umzugehen, sind Abkürzungen erforderlich – und solche Abkürzungen sind die Spezialität der Forscher. In den 90er Jahren entwickelten White und Zhang unabhängig voneinander heute bekannte Techniken, die die Rechenzeit exponentiell verkürzen. Um mit dem enorm komplizierten Modell umzugehen, das sich aus der Hinzufügung des Diagonalsprungs ergibt, kombinierten die Forscher diese beiden Techniken. Eine Technik stellt sich die Elektronen eher wie Teilchen vor; der andere betont ihre wellenförmige Struktur.

„Das Tolle an der Kombination ist, dass das eine stark ist, wo das andere schwach ist“, sagt Schollwöck. „Wir könnten in einem bestimmten Bereich, in dem beide arbeiten, einen ‚Handschlag‘ machen, eine Methode anhand der anderen zertifizieren und dann das Unbekannte erkunden, wo nur einer von ihnen funktioniert.“ Ein solcher kollaborativer Multimethoden-Ansatz sei das Erbe der Simons Collaboration on the Many Electron Problem, an der viele CCQ-Wissenschaftler beteiligt waren, sagt er.

Neben den quantenmechanischen Bewegungsregeln beeinflusst auch die Anzahl der Elektronen auf dem Schachbrett die Physik des Modells. Seit vielen Jahren wissen Physiker, dass die Elektronen ein stabiles Schachbrettmuster aus abwechselnden Auf- und Ab-Spins bilden, wenn es genauso viele Elektronen wie freie Flächen auf dem Spielbrett gibt. Dieser Aufbau ist nicht supraleitend – tatsächlich ist er überhaupt nicht leitend. Cuprate erfordern daher eine Änderung der Elektronenzahl.

In der früheren Arbeit von Zhang und seinen Kollegen mit dem einfachsten Hubbard-Modell führte das Hinzufügen oder Entfernen von Elektronen nicht zu Supraleitung. Stattdessen verwandelte sich das stabile Schachbrett in ein Streifenmuster, wobei die Streifen entweder aus Linien mit zusätzlichen Elektronen oder aus Linien mit Löchern bestanden, die durch die entfernten Elektronen entstanden waren.

Als die Forscher jedoch den Diagonal-Hop-Faktor zum Hubbard-Modell hinzufügten, wurden die Streifen nur teilweise gefüllt und es entstand Supraleitung. Darüber hinaus entsprachen die Ergebnisse in etwa den experimentellen Ergebnissen zu den Cuprat-Eigenschaften.

„Konkurrieren Streifen streng mit der Supraleitung, oder verursachen sie die Supraleitung, oder liegt es irgendwo dazwischen?“ fragt White. „Die aktuelle Antwort liegt irgendwo dazwischen und ist komplizierter als jede der anderen Antworten.“

Laut Zhang beweist das Papier die anhaltende Bedeutung des Hubbard-Modells und der „klassischen“ Berechnung – das heißt, Techniken und Algorithmen zu entwickeln, die normale Computer besser nutzen, anstatt auf Quantencomputer zu warten.

„Nach über 30 Jahren intensiver Bemühungen der Community ohne viele verlässliche Antworten wurde oft argumentiert, dass die Lösung des Hubbard-Modells auf einen Quantencomputer warten müsse“, sagt Zhang. „Diese Bemühungen werden nicht nur die Forschung im Bereich der Hochtemperatursupraleitung vorantreiben, sondern hoffentlich auch weitere Forschungen mit ‚klassischen‘ Berechnungen anregen, um die Wunder der Quantenwelt zu erforschen.“