讓電流流動的能力，來自電子的排列方式！銅基超導體又有新發現

科學家使用一種強大的計算機模型來探索一類令人費解的銅基材料，這種材料可以轉變為超導體。其發現為一個數十年來的謎團提供了誘人線索，並為量子計算向前邁進了一步。物質讓電流流動的能力來自其原子內電子的排列方式，根據這些排列或配置，那裡的所有材料要麼是絕緣體，要麼是導體。但是銅酸鹽，一種由銅氧化物製成的神秘材料，在科學界很出名。

因為它有一些身份問題，可以使它們既是絕緣體又是導體。在正常情況下，銅酸鹽是絕緣體：抑制電子流動的材料。但通過調整組成，它們就可以轉變為世界上最好的超導體。1986年，這種超導電性的發現為其發現者贏得了1987年諾貝爾獎，並以改進超級計算和其他關鍵技術的無限可能性吸引了科學界。但隨之而來的是30年困惑：科學家們還沒有完全破譯編碼銅酸鹽超導電性的電子排列。東北大學物理學特聘教授阿倫·班西爾(Arun Bansil)表示：

繪製這些材料的電子構型，可以說是理論物理學中最艱巨的挑戰之一。而且，由於超導是一種奇怪現象，只有在零下149攝氏度的溫度下才會發生（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制，可以幫助研究人員製造在室溫下工作的超導體。現在，包括班西爾和東北大學物理學教授羅伯特·馬爾凱維奇在內的一組研究人員，正在提出一種新方法來模擬這些導致銅酸鹽超導電性的奇怪機制。

在《美國國家科學院院刊》上發表的一項研究中，研究小組準確地預測了電子在一組名為釔鋇銅氧化物的銅酸鹽中，移動以實現超導電性時的行為。研究發現，在這些銅酸鹽中，超導電性來自多種類型的電子構型，具體地說多達26個。在這個過渡階段，材料本質上會變成不同階段的某種湯，這些奇妙材料的分裂特性現在首次被揭示出來。銅酸鹽超導體內部物理本質上是奇怪的，Markiewicz認為這種複雜性是印度關於盲人和大象的經典神話。

幾十年來，這一直是研究銅礦理論物理學家的笑話。根據這個神話，盲人第一次遇到大象，並試圖通過觸摸它來了解它是什麼。但由於它們每一個都只觸及身體的一個部位，例如鼻子、尾巴或腿，它們對大象都有不同(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，正確的方式遲早會出現。銅酸鹽背後的機制，還可以幫助解釋在極端溫度下變成超導體其他材料背後令人費解的物理原理。

並徹底改變它們被用來實現量子計算和其他以超高速處理數據的技術方式。研究正在試圖理解它們是如何在實驗中，使用真正的銅酸鹽中聚集在一起。對銅酸鹽超導體建模的挑戰，歸根結底是量子力學中的怪異領域，它研究最微小物質的行為和運動，以及在原子尺度上支配一切的奇怪物理規則。在任何給定的材料中（比如智慧型手機中的金屬）僅僅是指尖空間內包含的電子，就可能相當於數字1後面跟著22個0。

自從量子力學領域誕生以來，對如此大量電子進行物理建模一直是極具挑戰性的。科學家喜歡把這種複雜性想像成罐子裡的蝴蝶飛得又快又聰明，以避免相互碰撞。在導電材料中，電子也會四處移動，由於物理力量的共同作用，它們也會相互迴避。這些特性是銅酸鹽材料難以建模的核心。銅酸鹽的問題是，它們處於金屬和絕緣體之間，需要一個非常好的計算方法，它可以系統地捕捉到這種交叉，它們處於金屬和絕緣體之間的邊界上。

所以需要一個非常好的計算方法，以便它可以系統地捕捉到這種交叉，新研究的模型可以捕捉到這種行為。該團隊包括來自杜蘭大學、芬蘭拉彭蘭塔理工大學和坦普爾大學的研究人員。研究人員是第一個對銅酸鹽中電子態進行建模的人，而不需要像物理學家過去必須做的那樣，在他們的計算中手動添加參數。為了做到這一點，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和移動時追蹤它們，這反過來又有助於描述支持臨界轉變為超導的機制。

這種轉變，在材料中被稱為偽隙階段，可以簡單地描述為一扇門。在絕緣體中，材料的結構就像一扇關閉的門，沒有人可以通過。如果門是敞開的，就像導體一樣，電子很容易通過。但在經歷了這個偽隙階段的材料中，這扇門會微微打開。是什麼將這扇門轉變為真正敞開門的動力學仍然是一個謎，但新模型捕捉到了26個可能做到這一點的電子配置。有了現在能夠進行這種第一原則、無參數類型的建模，就有能力真正走得更遠，並有望開始更好地理解這個偽空隙階段。

博科園｜研究/來自：東北大學

參考期刊《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1910411116

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