Een simulatie van supergeleiders bij hoge temperaturen

1 december 2017

Supergeleiding, het moeiteloze transport van elektrische lading, heeft allerlei potentiële technologische toepassingen. Jammer genoeg vertonen de meeste supergeleidende materialen dit gedrag alleen bij zeer lage temperaturen. Een internationaal team van natuurkundigen, onder wie UvA-Institute of Physics-onderzoeker Philippe Corboz, heeft nu belangrijke vooruitgang geboekt bij het simuleren van onconventionele materialen die bij hogere temperatuur supergeleidend worden. Hun resultaten zijn deze week gepubliceerd in Science.

Een van de grote open problemen in de natuurkunde is het begrijpen van supergeleiding bij hoge temperaturen, meer dan 30 jaar geleden ontdekt in zogeheten cuprates. Supergeleidende materialen zijn substanties die hun elektrische weerstand geheel verliezen onder een bepaalde overgangstemperatuur. Dergelijke temperaturen liggen in het algemeen vlak bij het absolute temperatuurnulpunt, zo'n 273 graden onder nul op de Celsiusschaal. In cuprates is deze overgangstemperatuur echter veel hoger. Een beter begrip van dit fenomeen is cruciaal om nieuwe materialen te kunnen maken met een nog hogere overgangstemperatuur - met als ultieme droom kamertemperatuur - waarmee de weg vrij zou zijn voor baanbrekende technologische toepassingen.

Computationele vooruitgang

In de eerste pogingen om dit probleem beter te begrijpen werd voorgesteld dat een eenvoudig model van wisselwerkende elektronen die langs een tweedimensionaal rooster bewegen - het zogeheten Hubbardmodel - de relevante natuurkunde van supergeleiding bij hoge temperaturen kon bevatten. Ondanks de eenvoud van het Hubbardmodel bleek het een van de grote uitdagingen voor de computationele fysica om dit model nauwkeurig met een computer te simuleren, en zo te bepalen hoe de elektronen geordend zijn. Dankzij grote vooruitgang in de computationele methodes  voor quantumsystemen met veel componenten is de oplossing van het Hubbardmodel echter binnen bereik gekomen.

Door de nieuwste numerieke methodes in simulaties op grote schaal te combineren, hebben de onderzoekers nu een definitief antwoord gevonden op de vraag naar de ordening van de elektronen. Die blijken voor te komen in een zogeheten "streep"-toestand (zie afbeelding) waarin de elektronendichtheid niet uniform is, maar ruimtelijke variaties heeft. Dergelijke strepen zijn in eerder onderzoek al waargenomen, maar niet met voldoende precisie om ze overtuigend te kunnen onderscheiden van oplossingen met uniforme dichtheid. De nieuwe simulaties reproduceren kwalitatief enkele van de belangrijkste eigenschappen van de strepen die in cuprates worden waargenomen. Tegelijkertijd laten ze zien dat, voor kwantitatieve overeenkomst met echte materialen, realistischere modellen nodig zijn die uitstijgen boven het eenvoudigste Hubbardmodel.

Gestreepte toestand in het Hubbardmodel

Een streepconfiguratie met periode 8, verkregen in de simulaties. De pijlen geven het plaatselijke magnetische moment aan, de groene stippen de plaatselijke dichtheid van elektronen en gaten. Een duidelijk verticaal streeppatroon is zichtbaar in de groene stippen. Afbeelding: B-X. Zheng et al.

Publicatie

Het werk, dat deze week in Science werd gepubliceerd, toont de kracht van moderne numerieke methodes. Het leidt tot het optimistische vooruitzicht dat de oplossing van geavanceerdere modellen voor de cuprates binnen bereik is. De onderzoekers hebben goede hoop dat hun technieken sterk genoeg zijn om het mechanisme achter supergeleiding bij hoge temperatuur in de nabije toekomst geheel te onthullen.

Referentie

B-X. Zheng, C-M. Chung,  P. Corboz, G. Ehlers, M-P. Qin, R. M. Noack, H. Shi, S. R. White, S. Zhang en G. K-L. Chan, Stripe order in the underdoped region of the two-dimensional Hubbard model, Science 01 (Dec 2017) Vol. 358, Issue 6367, pp. 1155-1160. DOI: 10.1126/science.aam7127/.

Gepubliceerd door  IOP