Misteri Kuantum Terpecahkan – Para ilmuwan menjelaskan superkonduktor suhu tinggi yang membingungkan

Ilmuwan peneliti senior Flatiron Institute, Xu Zhang dan timnya menggunakan model Hubbard untuk secara komputasi menciptakan kembali fitur-fitur utama superkonduktivitas dalam bahan yang disebut cangkir yang telah membingungkan para ilmuwan selama beberapa dekade.

Kereta melayang berkecepatan tinggi, transmisi daya jarak jauh tanpa kehilangan energi, pemindai MRI yang lebih cepat – semua inovasi teknologi luar biasa ini dapat dijangkau jika kita dapat mengembangkan bahan yang dapat menghantarkan listrik tanpa hambatan apa pun, atau “superkonduktor”, pada suhu tertentu. Kamar kira-kira.

Dalam sebuah makalah yang baru-baru ini diterbitkan di jurnal SainsPara peneliti telah mengumumkan kemajuan besar dalam pemahaman kita tentang asal usul superkonduktivitas pada suhu yang relatif tinggi (meskipun masih sangat dingin). Hasilnya berkaitan dengan kelas superkonduktor yang telah membingungkan para ilmuwan sejak tahun 1986, yang disebut cuprates.

“Ada kegembiraan yang luar biasa ketika superkonduktor tembaga ditemukan [in 1986]“Saya pikir ini mengejutkan bagi semua orang bahwa hampir 40 tahun kemudian, kita masih belum sepenuhnya memahami mengapa mereka melakukan apa yang mereka lakukan,” kata Xu Zhang, peneliti senior di Pusat Fisika Kuantum Komputasi (CCQ) Institut Flatiron.

Ilustrasi yang menunjukkan bagaimana elektron, yang dapat berputar ke atas atau ke bawah, membentuk pola bergaris dalam model Hubbard. Perhitungan canggih terbaru menggunakan model ini membantu para ilmuwan lebih memahami kelas superkonduktor suhu tinggi yang disebut cuprates. Kredit: Lucy Reading-Ekanda/Simmons Foundation

Dalam makalah barunya, Zhang dan rekan-rekannya berhasil menciptakan kembali fitur superkonduktivitas tembaga menggunakan model sederhana yang disebut model Hubbard 2D, yang memperlakukan material seolah-olah itu adalah elektron yang bergerak mengelilingi papan catur kuantum. Terobosan ini terjadi hanya beberapa tahun setelah peneliti yang sama mendemonstrasikan versi paling sederhana dari model ini tidak bisa melakukan prestasi seperti itu. Model langsung seperti itu dapat memicu pemahaman fisika yang lebih dalam, kata rekan penulis studi Ulrich Schulwock, seorang profesor di Universitas Munich.

“Ide dalam fisika adalah untuk menjaga model sesederhana mungkin, karena model itu sendiri sudah cukup sulit,” kata Shuluk. “Jadi pertama-tama kami mempelajari versi paling sederhana yang bisa dibayangkan.”

Perbaikan model Hubbard

Dalam studi baru tersebut, para peneliti menambahkan pada model 2D Hubbard kemampuan elektron untuk membuat lompatan diagonal, seperti uskup dalam permainan catur. Dengan menggunakan modifikasi ini dan simulasi selama ribuan minggu pada superkomputer, model para peneliti mampu menangkap superkonduktivitas dan beberapa fitur utama tembaga lainnya yang sebelumnya telah ditemukan dalam eksperimen. Dengan menunjukkan bahwa model sederhana Hubbard dapat menggambarkan superkonduktivitas tembaga, penulis menunjukkan nilainya sebagai landasan untuk memahami mengapa dan bagaimana superkonduktivitas muncul.

Selama sebagian besar abad terakhir, fisikawan mengira mereka memahami mengapa beberapa material bersifat superkonduktif. Mereka percaya bahwa superkonduktivitas hanya ada pada suhu yang sangat rendah di bawah minus 243 derajat Celsius (sekitar 30 derajat di atas Nol mutlak). Suhu rendah ini memerlukan sistem pendingin mahal yang menggunakan helium cair.

Penelitian baru menggunakan model dua dimensi Hubbard untuk mempelajari munculnya superkonduktivitas dalam kelas material yang disebut cuprates. Model ini memperlakukan material sebagai elektron yang bergerak di sekitar papan catur kuantum, di mana setiap elektron mempunyai putaran naik atau turun. Jika jumlah elektron sama dengan jumlah elektron pada papan catur, sistem akan membentuk pola kotak-kotak dan bersifat non-konduktif. Menambahkan elektron (dalam proses yang disebut pencangkokan elektron) atau menghilangkannya (dalam proses yang disebut pencangkokan lubang setelah posisi kosong yang ditinggalkan oleh elektron yang dihilangkan) menghasilkan tingkat superkonduktivitas yang berbeda (panel atas). Ilustrasi bawah menunjukkan kerapatan elektron atau kerapatan lubang serta pola putaran untuk tiga skenario yang menunjukkan superkonduktivitas. Skenario pertama (a) menunjukkan pola kotak-kotak antiferromagnetik yang berputar naik dan turun secara bergantian. Skenario kedua (b) dan ketiga (c) menunjukkan pola pita variasi kepadatan putaran dan lubang. Kredit: Lucy Reading-Ekanda/Simmons Foundation

Ketika cuprates ditemukan pada tahun 1986, mereka mengejutkan dunia sains dengan menghasilkan superkonduktivitas pada suhu yang jauh lebih tinggi. Pada pertengahan tahun 1990an, para ilmuwan telah menemukan tembaga yang tetap menjadi superkonduktor hingga minus 123 derajat Celcius (sekitar 150 derajat di atas nol mutlak). Suhu ini dapat dicapai dengan menggunakan nitrogen cair yang relatif murah.

Anda dapat membayangkan cuprates sebagai lasagna lapisan oksida tembaga yang diselingi dengan lapisan ion lainnya. (Nama “cuprate” berasal dari kata Latin untuk tembaga.) Superkonduktivitas tercipta ketika listrik mengalir tanpa hambatan apa pun melalui lapisan oksida tembaga. Versi paling sederhana dari model 2D Hubbard hanya menggunakan dua istilah untuk menggambarkan setiap lapisan sebagai papan catur di mana elektron dapat melompat ke utara, selatan, timur dan barat.

Kompleksitas dan tantangan komputasi

“Ketika saya mulai mengerjakan model Hubbard pada masa-masa awal superkonduktivitas suhu tinggi, kami berpikir bahwa setelah model murni disimulasikan pada ‘papan catur’ kecil, kami akan sepenuhnya memahami superkonduktivitas,” kata rekan penulis studi Stephen White . “, seorang profesor di Universitas California, Irvine. “Namun seiring kami mengembangkan tekniknya, kami menemukan bahwa model Hubbard jauh lebih kompleks dari yang kami kira.”

Mekanika kuantum menciptakan kompleksitas ini: lapisan-lapisan tersebut dihuni oleh elektron, masing-masing dengan putaran naik atau turun. Elektron bisa terjerat. Keterikatan ini berarti bahwa elektron tidak dapat diperlakukan secara terpisah meskipun jaraknya berjauhan, sehingga sangat sulit untuk disimulasikan pada komputer.

“Meskipun model Hubbard dapat ditulis sebagai persamaan yang hanya menggunakan satu atau dua baris teks, karena diterapkan pada ratusan atom yang berinteraksi melalui hukum aneh mekanika kuantum, model tersebut dapat disimulasikan pada komputer besar seukuran Bumi. .” “Selama ribuan tahun kita masih belum bisa mendapatkan jawaban yang benar,” kata White.

Jalan pintas diperlukan untuk menghadapi tingkat kerumitan ini, dan jalan pintas tersebut merupakan keahlian khusus para peneliti. Pada tahun 1990an, White dan Zhang secara terpisah mengembangkan teknik terkenal yang secara signifikan mengurangi waktu komputasi. Untuk mengatasi pola yang sangat kompleks yang muncul dari penambahan lompatan diagonal, para peneliti menggabungkan kedua teknik ini. Salah satu teknik menyatakan bahwa elektron lebih mirip partikel; Yang lainnya menekankan struktur gelombangnya.

“Yang penting dari kombinasi ini adalah yang satu kuat dan yang lainnya lemah,” kata Shuluk. “Kita dapat melakukan ‘jabat tangan’ di area tertentu di mana keduanya berfungsi, mengautentikasi satu metode menggunakan metode lainnya, dan kemudian menjelajahi hal-hal yang tidak diketahui di mana hanya satu metode yang berfungsi.” Pendekatan kolaboratif dan multi-metode seperti itu merupakan warisan kolaborasi Simons dalam masalah banyak elektron, yang melibatkan beberapa ilmuwan CCQ, katanya.

Selain aturan gerak mekanika kuantum, jumlah elektron pada papan catur mempengaruhi fisika model. Selama bertahun-tahun, fisikawan telah mengetahui bahwa ketika jumlah elektron sama dengan jumlah ruang pada papan, elektron membentuk pola kotak-kotak yang tetap dengan putaran naik dan turun yang bergantian. Pengaturan ini tidak superkonduktif – bahkan tidak konduktif sama sekali. Oleh karena itu cuprate memerlukan perubahan jumlah elektron.

Dalam penelitian sebelumnya yang dilakukan Zhang dan rekannya menggunakan model Hubbard yang paling sederhana, penambahan atau pengurangan elektron tidak menyebabkan superkonduktivitas. Sebaliknya, kotak-kotak stabil berubah menjadi pola bergaris, dengan garis-garis yang terdiri dari garis-garis dengan elektron ekstra atau garis-garis dengan lubang yang ditinggalkan oleh elektron yang dilepaskan.

Namun, ketika para peneliti menambahkan faktor lompatan diagonal ke model Hubbard, garis-garis tersebut hanya terisi sebagian, dan muncullah superkonduktivitas. Apalagi hasilnya hampir menyamai hasil eksperimen mengenai sifat-sifat tembaga.

“Apakah garis-garis tersebut bersaing ketat dengan superkonduktivitas, atau menyebabkan superkonduktivitas, atau ada di antara keduanya?” Putih bertanya. “Jawaban saat ini adalah sesuatu di antara keduanya, dan lebih kompleks dibandingkan jawaban lainnya.”

Zhang mengatakan penelitian tersebut menunjukkan berlanjutnya kemunculan model Hubbard dan komputasi “klasik”, yaitu pengembangan teknik dan algoritma yang memanfaatkan komputer biasa dengan lebih baik, daripada menunggu komputer kuantum.

“Setelah lebih dari 30 tahun upaya komunitas yang intens tanpa banyak jawaban yang dapat diandalkan, sering kali dikatakan bahwa solusi model Hubbard harus menunggu komputer kuantum,” kata Zhang. “Upaya ini tidak hanya akan memajukan penelitian di bidang superkonduktivitas suhu tinggi, namun kami juga berharap hal ini akan merangsang lebih banyak penelitian menggunakan komputasi ‘klasik’ untuk mengeksplorasi keajaiban dunia kuantum.”

Referensi: “Koeksistensi superkonduktivitas dan garis terisi sebagian dalam model Hubbard” oleh Hao Xu, Chia-Min Chung, Mingpu Qin, Ulrich Schollwöck, Steven R. White dan Shiwei Zhang, 10 Mei 2024, Sains.
doi: 10.1126/science.adh7691