|
Тайны псевдощели в квантовой физике разгаданы
|
|
|
|
Благодаря умелому применению вычислительной техники ученые совершили прорыв в понимании "псевдощеля", давней загадки в квантовой физике, тесно связанной со сверхпроводимостью. Открытие, представленное в журнале Science, поможет ученым в их поисках сверхпроводимости при комнатной температуре, святого грааля физики конденсированных сред, который позволит передавать энергию без потерь, создавать более быстрые аппараты магнитно-резонансной томографии и сверхбыстрые левитирующие поезда.
|
|
|
|
Некоторые материалы, в состав которых входят медь и кислород, обладают сверхпроводимостью (при которой электричество течет без сопротивления) при относительно высоких, но все же низких температурах, ниже минус 140 градусов по Цельсию. При более высоких температурах эти материалы переходят в так называемое псевдощелевое состояние, в котором они иногда ведут себя как обычный металл, а иногда больше похожи на полупроводники.
|
|
|
|
Ученые обнаружили, что псевдощель присутствует во всех так называемых высокотемпературных сверхпроводящих материалах. Но они не понимали, почему и как это проявляется, и сохраняется ли оно, когда температура падает до абсолютного нуля (минус 273,15 градуса по Цельсию) - недостижимого нижнего предела температуры, при котором движение молекул прекращается.
|
|
|
|
По словам соавтора исследования Антуана Жоржа, директора Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона, благодаря лучшему пониманию того, как возникает псевдощель и как она соотносится с теоретическими свойствами сверхпроводящих материалов при абсолютном нуле, ученые получают более четкое представление об этих материалах.
|
|
|
"Это похоже на то, что у вас есть пейзаж и много тумана, а раньше вы могли видеть только несколько долин и несколько вершин", - говорит он. "Теперь туман рассеивается, и мы можем видеть больше пейзажа в целом. Это действительно захватывающее время".
|
|
|
|
Квантовые физики могут изучать такие состояния, как псевдощель, с помощью вычислительных методов, моделирующих поведение электронов в материале. Но эти вычисления невероятно сложны из-за квантовой запутанности, при которой электроны становятся связанными и не могут рассматриваться по отдельности даже после того, как они разделяются. Для более чем нескольких десятков электронов прямой расчет поведения всех частиц невозможен.
|
|
|
|
"Вычислить свойства этих материалов чрезвычайно сложно — их невозможно точно смоделировать даже на самом мощном компьютере, который только можно придумать", - говорит Джордж. "Приходится прибегать к хитроумным алгоритмам и упрощенным моделям".
|
|
|
|
Одна из известных моделей называется моделью Хаббарда: исследователи рассматривают материал как шахматную доску, по которой электроны могут перемещаться между соседними ячейками подобно ладье. Электроны могут вращаться как вверх, так и вниз. Два электрона могут занимать одно и то же место на плате только в том случае, если у них противоположные спины и они затрачивают энергию. С помощью этой модели, которая появилась в 1960-х годах, ученые могут применять различные вычислительные методы, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны в разных ситуациях.
|
|
|
|
"Есть класс методов, которые очень хорошо работают при нулевой температуре, и есть другой класс методов, которые очень хорошо работают при конечных температурах", - говорит Федор Шимкович IV, ведущий автор нового исследования, который был постдоком вместе с соавтором Мишелем Ферреро в Политехнической школе и Колледже искусств. Франция в Париже, а в настоящее время возглавляет команду IQM Quantum Computers в Мюнхене, Германия. "Эти два мира обычно не общаются друг с другом, потому что между ними, при очень низких, но конечных температурах, на самом деле находится самый сложный с точки зрения вычислений режим".
|
|
|
|
Это промежуточное состояние и есть то самое место, где находится псевдощель. Чтобы справиться с этим режимом, команда применила алгоритм под названием diagrammatic Monte Carlo, который был впервые описан в 1998 году; в 2017 году он был усовершенствован Риккардо Росси, соавтором новой статьи. В отличие от квантового Монте-Карло, плодотворного и хорошо известного алгоритма, который использует случайность для изучения небольших областей модели за один раз и объединяет эти исследования для получения выводов, диаграммный Монте-Карло рассматривает взаимодействия по всей шахматной доске сразу.
|
|
|
|
"Метод диаграммного Монте-Карло сильно отличается", - говорит Росси, исследователь из CNRS и Университета Сорбонны. "В принципе, мы можем моделировать бесконечное число частиц".
|
|
|
|
Вооружившись схематическим методом Монте-Карло, команда выяснила, что происходит с материалами с псевдощелью, когда они остывают до абсолютного нуля. Из предыдущих исследований они знали, что материалы могут начать становиться сверхпроводящими или у них могут образоваться "полосы", в которых электроны выстраиваются в ряды совпадающих спинов, разделенных рядами пустых квадратов.
|
|
|
|
В какое состояние переходит модель Хаббарда при абсолютном нуле, зависит от количества электронов. Когда модель включает в себя ровно столько электронов, сколько клеток на шахматной доске, вся доска превращается в устойчивый шахматный узор с восходящими и нисходящими спинами, что делает материал электрическим изолятором (совершенно неинтересным для исследований сверхпроводимости, поскольку изоляторы противоположны проводникам). Добавление или отнятие электронов может привести к появлению сверхпроводимости и/или полос.
|
|
|
|
Исследователи знали, что при более высоких температурах, при которых электроны все еще перемещаются, удаление электронов вызовет псевдощель, но они не знали, что произойдет при охлаждении материала.
|
|
|
|
"Обсуждался вопрос, всегда ли псевдощель переходит в полосатое состояние", - говорит Джордж. "Наша статья отвечает на этот важный вопрос в данной области и закрывает это окно". Исследование показало, что когда материалы в псевдощели охлаждаются до абсолютного нуля, на них действительно образуются полосы. Интересно, добавляет Джордж, что изменение модели Хаббарда, позволяющее осуществлять диагональные перемещения, как у слона, приводит к тому, что псевдощель превращается в сверхпроводник по мере остывания.
|
|
|
|
В статье также был дан ответ на вопрос о том, что вызывает псевдощель, в которой расположение электронов больше не является однородным, как это было при абсолютном нуле, а вместо этого включает в себя несколько полосатых областей, несколько квадратов с двумя электронами, несколько дырок и несколько участков в шахматном порядке. Исследователи выяснили, что как только в расположении электронов появляются эти шахматные участки, материалы попадают в псевдощель. Эти два важных ответа на вопрос о псевдощели помогают еще больше прояснить модель Хаббарда.
|
|
|
|
"На более широком уровне, все это является частью коллективных усилий всего научного сообщества по объединению вычислительных подходов, позволяющих раскрыть эти сложные орешки", - говорит Джордж. "Мы переживаем времена, когда, наконец, эти проблемы проясняются".
|
|
|
|
Эти результаты также принесут пользу другим приложениям, выходящим за рамки численных расчетов, включая квантовое моделирование газов - 20-летнюю область на стыке квантовой оптики и физики конденсированных сред. В этих экспериментах атомы охлаждаются до сверххолодных температур, а затем с помощью лазеров улавливаются в сетку, подобную модели Хаббарда. Благодаря новым разработкам в области квантовой оптики исследователи теперь могут понизить эти температуры почти до такой степени, что образуется псевдощель, объединяющая теорию и эксперимент.
|
|
|
|
"Наша статья имеет прямое отношение к моделированию ультрахолодных квантовых газов", - говорит Джордж. "Эти квантовые симуляторы сейчас находятся на грани того, чтобы увидеть это явление псевдощели, поэтому я ожидаю действительно интересных разработок в ближайшие год-два".
|
|
|
|
Источник
|
