探寻高温超导的本质

1911年，物理学家海克·卡末林·昂内丝（Heike Kamerlingh Onnes）最早发现了超导现象。当他将一根汞（Hg）线冷却到仅比绝对零度高4度（4K）的温度时，他注意到汞的电阻降为零，电流可以在没有任何热损耗的情况下不间断地流动。汞也因此成为第一个已知的超导材料。

但是，由于如汞这类传统材料只能在极低的温度下才能进入超导态，它们的实际用途非常有限。上世纪80年代，这一情况发生了改变：当时，物理学家意外地发现了第一个所谓的“高温超导体”，临界温度大约为30K（-243℃）的铜氧化物。自那之后，高温超导体受到越来越多的关注。然而，近40年过去了，直至今日，科学家仍然不了解，为什么这类材料能在如此高的温度下维持超导性。

在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一组研究人员利用哈伯德模型，成功地重现了铜氧化物的超导性的一些关键特征，为在相对较高的温度理解超导性的起源带来了新的突破。

哈伯德模型

哈伯德模型是量子多体物理学中的一个标志性模型，常被用于研究材料的磁性和超导性。

铜氧化物可以被想象成是由不同的氧化铜层与其他离子层交替构成的，当电流无阻力地流过氧化铜层时，超导性就产生了。在哈伯德模型的最简单二维版本中，它将铜氧化物的每一层都描绘成一个“量子棋盘”，电子可以在这个棋盘上朝东、南、北、西，跳来跳去。

但自从发现铜氧化物的高温超导性以来，一个核心问题是，哈伯德模型的简单二维版本是否能精确地捕捉这些材料的基本物理特性。要回答这个问题被证明是非常困难的，哈伯德模型比想象的要复杂得多。

这种复杂性是由量子力学造成的：电子“居住”在每一层“棋盘”中，每个电子都有一个向上或向下的自旋。这些电子可以纠缠在一起，这意味着即使两个电子相距甚远，也不能被单独处理。因此，物理学家不得不同时处理所有电子，而不能一次一个地攻克。随着电子数量增加，更多纠缠显现，计算难度就会呈指数级增加。

增加对角线

要处理如此复杂的问题，需要走“捷径”。在上世纪90年代，新论文的作者Shiwei Zhang和Steven White分别发展出了能够指数级缩短计算时间的技巧。一种技巧更多地将电子视为粒子；另一种则更强调它们的波样结构。

在新的研究中，研究人员在二维哈伯德模型中加入了电子在对角线上跳跃的能力，就像国际象棋中的“象”一样。为了处理由于添加电子在对角线上跳跃的能力而产生的复杂计算，研究人员将Zhang和White的两种方法结合在了一起。

他们让这两种方法在一个对二者都有效的特定领域“相遇”，然后用一种方法验证另一种，再探索那些只对一种方法有效的未知领域。通过在超级计算机上进行的长达数千周的模拟，新的模型捕捉到了过去在实验中发现的铜氧化物的超导性以及其他几个关键特征。

新研究使用二维的哈伯德模型来研究一类名为铜氧化物的材料中的超导性的涌现。该模型将材料视为在量子棋盘上移动的电子，每个电子都有一个向上或向下的自旋。当棋盘上的电子数量与空穴数量相同时，系统形成棋盘的图案，并且不导电。添加电子（电子掺杂过程中）或去除电子（空穴掺杂过程）会导致不同程度的超导性（上图）。下面的插图显示了三种超导情况下的电子密度或空穴密度以及自旋模式。第一种情况（A）显示了一种反铁磁模式，类似于上下交替自旋的棋盘图案；第二个（B）和第三个（C）场景显示了自旋和空穴密度变化的条形图案。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

除了量子力学的运动法则外，“棋盘”上的电子数量也会影响模型的物理性质。多年来，物理学家早已知道，当棋盘上的电子数量与“空穴”数量相同时，这些电子就会形成一个稳定的上下交替自旋的棋盘图案。在这种模式下，材料是没有超导性的——它甚至根本不导电。

在更早期的研究中，Zhang与他的同事发现，在最简单的哈伯德模型中，增加或去除电子不会导致超导性，而是会让稳定的棋盘变成条纹图案，这些条纹是由带有额外电子的线条或带有被移除电子留下的空穴的线条组成的。

现在，当研究人员在哈伯德模型中加入对角线跳跃因子时，这些条纹被部分填充了——超导性涌现了。他们的模拟结果与实验结果基本吻合。证明了哈伯德模型能够捕捉到铜氧化物的超导性。

#创作团队：

撰文：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.simonsfoundation.org/2024/05/09/quantum-breakthrough-sheds-light-on-perplexing-high-temperature-superconductors/

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7691

#图片来源：

封面图&首图：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation