科學(xué)家使用一種強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)模型來探索一類令人費(fèi)解的銅基材料，這種材料可以轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。其發(fā)現(xiàn)為一個(gè)數(shù)十年來的謎團(tuán)提供了誘人線索，并為量子計(jì)算向前邁進(jìn)了一步。

物質(zhì)讓電流流動(dòng)的能力來自其原子內(nèi)電子的排列方式，根據(jù)這些排列或配置，那里的所有材料要么是絕緣體，要么是導(dǎo)體。但是銅酸鹽，一種由銅氧化物制成的神秘材料，在科學(xué)界很出名。

因?yàn)樗幸恍┥矸輪栴}，可以使它們既是絕緣體又是導(dǎo)體。在正常情況下，銅酸鹽是絕緣體：抑制電子流動(dòng)的材料。但通過調(diào)整組成，它們就可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜缟献詈玫某瑢?dǎo)體。1986年，這種超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)為其發(fā)現(xiàn)者贏得了1987年諾貝爾獎(jiǎng)，并以改進(jìn)超級(jí)計(jì)算和其他關(guān)鍵技術(shù)的無限可能性吸引了科學(xué)界。但隨之而來的是30年困惑：科學(xué)家們還沒有完全破譯編碼銅酸鹽超導(dǎo)電性的電子排列。東北大學(xué)物理學(xué)特聘教授阿倫·班西爾(Arun Bansil)表示：

繪制這些材料的電子構(gòu)型，可以說是理論物理學(xué)中最艱巨的挑戰(zhàn)之一。而且，由于超導(dǎo)是一種奇怪現(xiàn)象，只有在零下149攝氏度的溫度下才會(huì)發(fā)生（或大約與天王星上的溫度一樣低），首先找出使其成為可能的機(jī)制，可以幫助研究人員制造在室溫下工作的超導(dǎo)體?，F(xiàn)在，包括班西爾和東北大學(xué)物理學(xué)教授羅伯特·馬爾凱維奇在內(nèi)的一組研究人員，正在提出一種新方法來模擬這些導(dǎo)致銅酸鹽超導(dǎo)電性的奇怪機(jī)制。

在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究小組準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了電子在一組名為釔鋇銅氧化物的銅酸鹽中，移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性時(shí)的行為。研究發(fā)現(xiàn)，在這些銅酸鹽中，超導(dǎo)電性來自多種類型的電子構(gòu)型，具體地說多達(dá)26個(gè)。在這個(gè)過渡階段，材料本質(zhì)上會(huì)變成不同階段的某種湯，這些奇妙材料的分裂特性現(xiàn)在首次被揭示出來。銅酸鹽超導(dǎo)體內(nèi)部物理本質(zhì)上是奇怪的，Markiewicz認(rèn)為這種復(fù)雜性是印度關(guān)于盲人和大象的經(jīng)典神話。

幾十年來，這一直是研究銅礦理論物理學(xué)家的笑話。根據(jù)這個(gè)神話，盲人第一次遇到大象，并試圖通過觸摸它來了解它是什么。但由于它們每一個(gè)都只觸及身體的一個(gè)部位，例如鼻子、尾巴或腿，它們對(duì)大象都有不同(且有限的)概念。一開始，都以不同的方式看待(銅礦)，但研究人員知道，正確的方式遲早會(huì)出現(xiàn)。銅酸鹽背后的機(jī)制，還可以幫助解釋在極端溫度下變成超導(dǎo)體其他材料背后令人費(fèi)解的物理原理。

并徹底改變它們被用來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和其他以超高速處理數(shù)據(jù)的技術(shù)方式。研究正在試圖理解它們是如何在實(shí)驗(yàn)中，使用真正的銅酸鹽中聚集在一起。對(duì)銅酸鹽超導(dǎo)體建模的挑戰(zhàn)，歸根結(jié)底是量子力學(xué)中的怪異領(lǐng)域，它研究最微小物質(zhì)的行為和運(yùn)動(dòng)，以及在原子尺度上支配一切的奇怪物理規(guī)則。在任何給定的材料中（比如智能手機(jī)中的金屬）僅僅是指尖空間內(nèi)包含的電子，就可能相當(dāng)于數(shù)字1后面跟著22個(gè)0。

自從量子力學(xué)領(lǐng)域誕生以來，對(duì)如此大量電子進(jìn)行物理建模一直是極具挑戰(zhàn)性的?？茖W(xué)家喜歡把這種復(fù)雜性想象成罐子里的蝴蝶飛得又快又聰明，以避免相互碰撞。在導(dǎo)電材料中，電子也會(huì)四處移動(dòng)，由于物理力量的共同作用，它們也會(huì)相互回避。這些特性是銅酸鹽材料難以建模的核心。銅酸鹽的問題是，它們處于金屬和絕緣體之間，需要一個(gè)非常好的計(jì)算方法，它可以系統(tǒng)地捕捉到這種交叉，它們處于金屬和絕緣體之間的邊界上。

所以需要一個(gè)非常好的計(jì)算方法，以便它可以系統(tǒng)地捕捉到這種交叉，新研究的模型可以捕捉到這種行為。該團(tuán)隊(duì)包括來自杜蘭大學(xué)、芬蘭拉彭蘭塔理工大學(xué)和坦普爾大學(xué)的研究人員。研究人員是第一個(gè)對(duì)銅酸鹽中電子態(tài)進(jìn)行建模的人，而不需要像物理學(xué)家過去必須做的那樣，在他們的計(jì)算中手動(dòng)添加參數(shù)。為了做到這一點(diǎn)，研究人員模擬了釔鋇銅氧化物原子在最低水平的能量。這樣做可以讓研究人員在電子激發(fā)和移動(dòng)時(shí)追蹤它們，這反過來又有助于描述支持臨界轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)的機(jī)制。

這種轉(zhuǎn)變，在材料中被稱為偽隙階段，可以簡(jiǎn)單地描述為一扇門。在絕緣體中，材料的結(jié)構(gòu)就像一扇關(guān)閉的門，沒有人可以通過。如果門是敞開的，就像導(dǎo)體一樣，電子很容易通過。但在經(jīng)歷了這個(gè)偽隙階段的材料中，這扇門會(huì)微微打開。是什么將這扇門轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲ㄩ_門的動(dòng)力學(xué)仍然是一個(gè)謎，但新模型捕捉到了26個(gè)可能做到這一點(diǎn)的電子配置。有了現(xiàn)在能夠進(jìn)行這種第一原則、無參數(shù)類型的建模，就有能力真正走得更遠(yuǎn)，并有望開始更好地理解這個(gè)偽空隙階段。

博科園｜研究/來自：東北大學(xué)

參考期刊《美國國家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1910411116

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普