Summit-Studie liefert neue Einblicke in korrelierte Elektronensysteme

Eine von Forschern des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums geleitete Studie nutzte den schnellsten Supercomputer der Nation, um der Antwort auf eine zentrale Frage der modernen Physik näher zu kommen, die bei der Entwicklung der nächsten Generation von Energietechnologien helfen könnte.

„Hier geht es vor allem darum, ein jahrzehntealtes Problem zu lösen“, sagt Thomas Maier, ORNL-Physiker, der die Studie mit Forschern der University of Tennessee und des Instituts für Theoretische Physik ETH Zürich leitete. „Wenn wir die Frage beantworten können, was der Mechanismus für die Supraleitung in bestimmten korrelierten Elektronensystemen ist, und die Gründe für dieses Verhalten verstehen, dann können wir Materialien entwickeln, die das Beste aus diesem Verhalten machen.“

Die Ergebnisse erschienen in der Proceedings of the National Academy of Sciences.

Die Studie verwendete Summit, das 200-Petaflop-Supercomputersystem IBM AC922 der Oak Ridge Leadership Computing Facility, um Wechselwirkungen zwischen einem System von Elektronen innerhalb eines Festkörpers zu simulieren. Die Simulationen wandten das Hubbard-Modell an, das einfachste Modell eines Systems wechselwirkender Elektronen in verschiedenen Dimensionen, um zu untersuchen, wie eine Klasse von Kupferlegierungen, die als Cuprate bekannt sind, als Supraleiter wirken, die Elektrizität ohne Energieverlust übertragen.

Cuprate können in der Stromübertragung und -erzeugung, Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn oder Magnetschwebebahn, Zügen und medizinischen Anwendungen verwendet werden, zeigen aber im Allgemeinen ihre vollen supraleitenden Eigenschaften bei extremer Kälte – typischerweise Hunderte von Grad unter dem Gefrierpunkt. Die Erklärung dieser Supraleitung könnte den Code knacken, Supraleitung bei Raumtemperatur zu liefern und billige, schnelle und nachhaltige Energie bereitzustellen.

Das Hubbard-Modell, das vor fast 60 Jahren entwickelt und nach dem britischen Physiker John Hubbard benannt wurde, postuliert ein Elektronensystem innerhalb eines 2D-Gitters. Jedes Elektron hat einen Spin – entweder nach oben oder nach unten, ähnlich wie die positiven und negativen Pole eines Magneten – und keine zwei Elektronen mit demselben Spin können denselben Ort besetzen. Der erste Term des Modells beschreibt kinetische Energie. In diesem Begriff bewegen oder „springen“ die Elektronen zwischen benachbarten Plätzen im Gitter und diagonal zwischen ihren nächstnächsten Nachbarn hin und her. Der zweite Term beschreibt die Wechselwirkungsenergie und die Energiezunahme, wenn zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin versuchen, einen einzigen Ort zu besetzen.

Hubbard hat das Modell nicht entworfen, um das Elektronenverhalten in Supraleitern wie Cupraten zu erklären. Forscher haben auf der Suche nach einem Supraleiter bei Raumtemperatur mit Schichten aus Kupfer und Sauerstoff experimentiert und das Hubbard-Modell im Laufe der Jahre angepasst oder „dotiert“, um zu versuchen, die supraleitenden Eigenschaften zu verstehen.

Die dotierten Modelle entfernen Elektronen und hinterlassen „Löcher“, die die verbleibenden Elektronen dazu anregen, Paare zu bilden, die leicht Strom leiten. Unter den richtigen Bedingungen fallen die Löcher in eine Linie und bilden Streifen, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie mit der Supraleitung konkurrieren, und die Elektronen bilden ein Wellenmuster, das als Ladungs- und Spindichtewelle bekannt ist.

Aber diese Modelle können die Supraleitung bisher nicht zuverlässig genug erklären oder vorhersagen, um sie in der Praxis einzusetzen.

„Die Ansätze, die wir haben, um dieses Problem zu lösen, sind nicht exakt, und das Modell wäre theoretisch unendlich groß mit vielen unterschiedlichen Phasen, was extrem große, komplexe Berechnungen erfordert“, sagte Maier. „Energieunterschiede können winzig sein – weniger als ein Millielektronenvolt. Wir können versuchen, all dies in einem Gitter endlicher Größe zu approximieren, aber dieser Ansatz vernachlässigt zu viele Aspekte und wir landen mit einem Gitter, das zu klein ist, um robuste Schlussfolgerungen zu ziehen wir suchen. Wir brauchen ein einfaches Modell, das die gesamte Physik beschreibt und konsistent die gleichen Ergebnisse liefert.“

Maiers Team erhielt über das INCITE-Programm (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) des DOE einen Zuteilungszuschuss von 900.000 Knotenstunden auf Summit

um das Modell eingehend zu erkunden. Die Ergebnisse offenbarten neue Einblicke in die Beziehungen zwischen Elektronenspin und Ladungsstreifen, einschließlich der Entstehung von Streifen bei der Entwicklung der Supraleitung.

„Das waren einige wirklich schwere Berechnungen, die nirgendwo anders als auf Summit durchgeführt werden konnten“, sagte Maier. „Wir sind ein Risiko eingegangen, aber es hat sich ausgezahlt, weil wir endlich eine Maschine hatten, die Berechnungen für ein System unterstützen konnte, das groß genug war, um die Streifen zu sehen supraleitende Korrelationen bilden ein ähnliches wellenartiges Muster, das als Paardichtewelle bekannt ist. Die Ergebnisse könnten einen neuen Standard für das Verständnis dieses Modells setzen.“

Die Simulationen enthüllen nicht das Geheimnis der Temperaturerhöhung für die Supraleitung. Aber die gewonnenen Erkenntnisse weisen auf Ziele für weitere Studien hin, während sich die Forscher darauf konzentrieren, wie Supraleitung zustande kommt.

„Wir wissen jedes Jahr mehr als im letzten“, sagte Maier. „Jetzt müssen wir andere Methoden zur Lösung des Modells erforschen und die Ergebnisse replizieren. Wir sind jetzt näher als je zuvor und wir wollen noch näher kommen.“