В течение многих лет квантовые физики пытались понять состояние материалов с псевдощелью. Наконец, команда исследователей разгадала различные тайны, связанные с псевдощелью, используя специальный алгоритм
Псевдощель относится к странному поведению, наблюдаемому в некоторых материалах, таких как купраты (оксиды меди), которые ведут себя как сверхпроводники при экстремальных температурах (например, ниже -140°C), но при более высоких температурах проявляют свойства полупроводника или обычного металла.
В таких материалах существует необычный частичный зазор в уровнях энергии электронов. Этот псевдозазор возникает из-за того, что некоторые электронные пары начинают формироваться при более высоких температурах, но не переходят полностью в сверхпроводящее состояние.
Почему и как появляется псевдощель, оставалось неизвестным на протяжении десятилетий, но не более того. В своем новом исследовании исследователи нашли ответ на эти вопросы.
“Наше открытие 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”, - отмечают авторы исследования.
Псевдощель - сложная задача даже для мощных компьютеров
Что делает состояние псевдощели таким трудным для расшифровки, так это квантовая запутанность, которая делает электроны взаимосвязанными, а это означает, что состояние одного электрона мгновенно влияет на состояние другого, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.
“Вычислить свойства этих материалов чрезвычайно сложно — их невозможно точно смоделировать даже на самом мощном компьютере, который только можно придумать. Приходится прибегать к хитроумным алгоритмам и упрощенным моделям”, - сказал Антуан Жорж, один из авторов исследования и физик из Политехнического института Парижа.
Чтобы решить эту проблему, исследователи воспользовались моделью Хаббарда - математической основой, используемой в физике для описания того, как электроны движутся и взаимодействуют в материале.
В этой модели такие материалы, как купраты, рассматриваются как шахматные доски, на которых электроны ведут себя как пешки, перепрыгивая с одной клетки на соседние. Электроны могут находиться как в состоянии с повышенным, так и в состоянии с пониженным спином. Кроме того, они могут находиться в одном и том же месте только в том случае, если их спины противоположны, что приводит к расходу энергии.
Далее, чтобы рассчитать поведение электронов на основе модели Хаббарда, исследователи применили схематический алгоритм Монте-Карло. Он может анализировать электронные взаимодействия, происходящие сразу по всей шахматной доске, что невозможно при использовании других широко используемых алгоритмов.
“Метод диаграммного Монте-Карло сильно отличается. В принципе, мы можем моделировать бесконечное число частиц”, - сказал Риккардо Росси, один из исследователей и специалист по квантовой физике из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне.
Алгоритм расшифровал состояние псевдощели
Использование диаграммного метода Монте-Карло оказалось очень успешным. Он раскрыл многие детали, которые ранее были неизвестны.
Например, авторы исследования обнаружили, что, когда температура материала в псевдощели приближается к абсолютному нулю, “электроны выстраиваются в ряды совпадающих спинов, разделенных рядами пустых квадратов”.
Такое расположение называется полосами. В некоторых предыдущих исследованиях также упоминалась возможность таких образований, но это исследование является первым, которое подтвердило это.
Авторы исследования также обнаружили, что псевдощелевое состояние материала на самом деле является результатом появления шахматных пятен в расположении электронов. “Как только эти шахматные пятна появлялись в расположении электронов, материалы попадали в псевдощель", - отмечают они.
