哈伯德模型适用超导性研究，高温超导或取得巨大进步

SLAC和斯坦福大学的研究人员通过计算机模拟发现了开关铜酸盐材料超导性的方法。橙色圆球代表铜原子，红色圆球代表氧原子，蓝色小球代表电子。

据slac.stanford.edu网站9月26日报道，美国斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员发现，一种长期用于描述材料行为的数学模型也可以用于模拟和解释高温超导。他们在《科学》杂志中阐述了相关成果：研究人员可以通过调整铜酸盐材料的化学性能，开关其超导性。在经过调整的铜基材料中，电子会以特定模式由一个原子越向另一个原子。斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）主任、论文作者Thomas Devereaux说：“如何让超导体在更高的温度下工作，以及如何使超导性更强是我们非常关注的问题。问题的关键在于找到扭转现有局面的方法。”Devereaux表示，虽然超导性为无损耗传输电线和磁悬浮列车的未来带来了无限的可能性，但科学家们始终缺乏一种恰当的数学模型来描述其电子行为。

SIMES研究人员、论文作者Hong-Chen Jiang表示，尽管在数十年中，哈伯德模型已经用于表征多种材料中的电子行为，但科学家们还没有证据表明它也适用于铜基高温超导体。他说：“这是困扰该领域的重要问题。哈伯德模型可以用于描述铜酸盐材料的高温超导性吗？或者它还存在缺陷？铜酸盐材料中存在许多相互竞争的状态，我们不得不选择无偏模拟来解答这些问题。但这使模拟计算变得非常困难，相关研究的进展很缓慢。”

许多材料的行为是可以预测的。例如铜总是金属；摔坏一个磁铁，它仍然具有磁性。然而，高温超导体是量子材料，其电子相互配合，产生出人意料的特性。Devereaux说，量子材料与常规材料的不同之处在于，它可以同时承载多种相态。例如，量子材料在某一条件是导体，稍微切换条件后，它又可能变成绝缘体。 因此，科学家们可以通过改变材料的化学性质或电子运动方式来改变相态之间的平衡，从而制造出新材料。

针对这种情况，科学家们求助于最强大算法之一的密度矩阵重整化群（DMRG）。然而，由于相态共存的情况是非常复杂的，即便是使用了DMRG算法进行模拟，也需要占用大量的硬件资源，耗费很长的时间。为了缩短计算时间，并提高分析水平，Jiang等寻找了优化模拟细节的方法。他说：“我们必须谨慎地精简每一个步骤，并尽可能提高效率。”在Jiang等的努力下，斯坦福大学的夏洛克计算群和SLAC的设备花费了大约一年的时间，实现了哈伯德模型的DMRG模拟的加速运行。

Devereaux团队的研究重点在于，分析铜酸盐材料中高温超导性和电荷纹之间的微妙相互作用。此前，两者的关系并不清楚。有的科学家认为，电荷纹促进了超导性。而另一些科学家则认为电荷纹和超导性之间存在竞争。Jiang和Devereaux等在方格中创建了虚拟的铜酸盐材料。在实际情况中，铜原子和氧原子被限制在平面上。而在虚拟材料中，它们变成了单个的虚拟原子，位于网格线的交点。每个虚拟原子最多可以容纳两个电子，电子可以自由跃动。

当研究人员用DMRG模拟哈伯德模型时，他们发现电子跳跃模式的变化对电荷纹和超导性之间的关系有明显的影响：电子跳向方格中的“邻居”时，电荷纹变得更强，超导态不会出现。电子沿对角线跳跃时，电荷纹减弱但不会消失，超导态出现。Devereaux说：“目前，我们还无法在模型中将研究推进到更深入的程度，以观察材料处于最低能量状态时，电荷纹和超导性能否共存。但我们可以肯定的是，在这种规模的系统中，它们确实共存了。”他还补充说道：“哈伯德模型是否描述了实际条件下铜酸盐材料的所有复杂行为？这仍然是一个悬而未决的问题。即使系统复杂度有微小增益，也会对算法的计算能力产生巨大挑战，模拟所需的时间可能会呈指数级增长。”

即便如此，有了Devereaux等的发现，科学家们终于有了一个可以描述高温超导性的完整的相互作用模型。这在超导性研究的历程中具有里程碑式的意义。

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编译：雷鑫宇 

审稿：三水   

责编：张梦

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-09-26-scientists-finally-find-superconductivity-exactly-place-theyve-been-looking-decades

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