Des chercheurs de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie affirment avoir trouvé le premier, la preuve longtemps recherchée qu'un modèle scientifique vieux de plusieurs décennies du comportement des matériaux peut être utilisé pour simuler et comprendre la supraconductivité à haute température - une étape importante vers la production et le contrôle de ce phénomène déroutant à volonté.

Les simulations qu'ils ont exécutées, Publié dans Science aujourd'hui, suggèrent que les chercheurs pourraient être en mesure d'activer et de désactiver la supraconductivité dans les matériaux à base de cuivre appelés cuprates en ajustant leur chimie afin que les électrons sautent d'atome en atome selon un motif particulier, comme s'ils sautaient vers l'atome en diagonale de l'autre côté de la rue plutôt que vers celui la porte à côté.

"La grande chose que vous voulez savoir, c'est comment faire fonctionner les supraconducteurs à des températures plus élevées et comment rendre la supraconductivité plus robuste, " a déclaré le co-auteur de l'étude Thomas Devereaux, directeur du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC. "Il s'agit de trouver les boutons que vous pouvez tourner pour faire pencher la balance en votre faveur."

Le plus gros obstacle à cela, il a dit, a été l'absence d'un modèle - une représentation mathématique du comportement d'un système - qui décrit ce type de supraconductivité, dont la découverte en 1986 a suscité l'espoir que l'électricité pourrait un jour être transmise sans perte pour des lignes électriques et des trains maglev parfaitement efficaces.

Alors que les scientifiques pensaient au modèle Hubbard, utilisé depuis des décennies pour représenter le comportement des électrons dans de nombreux matériaux, pourrait s'appliquer aux supraconducteurs cuprates à haute température, jusqu'à présent ils n'avaient aucune preuve, dit Hong-Chen Jiang, un scientifique du SIMES et co-auteur du rapport.

« Ceci a été un problème majeur non résolu dans le domaine - le modèle Hubbard décrit-il la supraconductivité à haute température dans les cuprates, ou manque-t-il un ingrédient clé ?", a-t-il déclaré. "Parce qu'il existe un certain nombre d'états concurrents dans ces matériaux, nous devons nous appuyer sur des simulations non biaisées pour répondre à ces questions, mais les problèmes de calcul sont très difficiles, et donc les progrès ont été lents."

Les multiples visages des matériaux quantiques

Pourquoi si difficile ?

Alors que de nombreux matériaux se comportent de manière très prévisible, le cuivre est toujours un métal, et lorsque vous faites éclater un aimant, les bits sont toujours magnétiques - les supraconducteurs à haute température sont des matériaux quantiques, où les électrons coopèrent pour produire des propriétés inattendues. Dans ce cas, ils s'associent pour conduire l'électricité sans résistance ni perte à des températures beaucoup plus élevées que ce que les théories établies de la supraconductivité peuvent expliquer.

Contrairement aux matériaux de tous les jours, les matériaux quantiques peuvent héberger un certain nombre de phases, ou états de la matière, immediatement, dit Devereaux. Par exemple, un matériau quantique peut être métallique dans un ensemble de conditions, mais isolant dans des conditions légèrement différentes. Les scientifiques peuvent faire pencher la balance entre les phases en bricolant la chimie du matériau ou la façon dont ses électrons se déplacent, par exemple, et l'objectif est de le faire de manière délibérée pour créer de nouveaux matériaux dotés de propriétés utiles.

L'un des algorithmes les plus puissants pour modéliser des situations comme celle-ci est connu sous le nom de groupe de renormalisation de matrice de densité, ou DMRG. Mais parce que ces phases coexistantes sont si complexes, utiliser le DMRG pour les simuler nécessite beaucoup de temps de calcul et de mémoire et prend généralement un certain temps, dit Jiang.

Pour réduire le temps de calcul et atteindre un niveau d'analyse plus profond qu'il n'aurait été possible auparavant, Jiang a cherché des moyens d'optimiser les détails de la simulation. "Nous devons soigneusement rationaliser chaque étape, " il a dit, "le rendre aussi efficace que possible et même trouver des moyens de faire deux choses distinctes à la fois." Ces gains d'efficacité ont permis à l'équipe d'exécuter des simulations DMRG du modèle Hubbard beaucoup plus rapidement qu'auparavant, avec environ un an de temps de calcul au cluster informatique Sherlock de Stanford et d'autres installations sur le campus du SLAC.

Voisins d'électrons sautillants

Cette étude s'est concentrée sur l'interaction délicate entre deux phases connues pour exister dans les cuprates :la supraconductivité à haute température et les bandes de charge, qui sont comme un motif d'onde de densité électronique supérieure et inférieure dans le matériau. La relation entre ces états n'est pas claire, avec certaines études suggérant que les bandes de charge favorisent la supraconductivité et d'autres suggérant qu'elles la concurrencent.

Pour leur analyse, Jiang et Devereaux ont créé une version virtuelle d'un cuprate sur un réseau carré, comme un grillage avec des trous carrés. Les atomes de cuivre et d'oxygène sont confinés aux plans du matériau réel, mais dans la version virtuelle ils deviennent célibataires, atomes virtuels qui se trouvent à chacune des intersections où les fils se rencontrent. Chacun de ces atomes virtuels peut accueillir au plus deux électrons libres de sauter ou de sauter, soit vers leurs voisins immédiats sur le réseau carré, soit en diagonale à travers chaque carré.

Lorsque les chercheurs ont utilisé le DMRG pour simuler le modèle Hubbard appliqué à ce système, ils ont découvert que les changements dans les schémas de saut des électrons avaient un effet notable sur la relation entre les bandes de charge et la supraconductivité.

Lorsque les électrons sautaient uniquement vers leurs voisins immédiats sur le réseau carré, le motif des bandes de charge s'est renforcé et l'état supraconducteur n'est jamais apparu. Lorsque les électrons ont été autorisés à sauter en diagonale, les bandes de charge ont fini par s'affaiblir, mais n'est pas parti, et l'état supraconducteur a finalement émergé.

"Jusqu'à présent, nous ne pouvions pas pousser assez loin dans notre modélisation pour voir si les bandes de charge et la supraconductivité peuvent coexister lorsque ce matériau est dans son état d'énergie le plus bas. Maintenant, nous savons que c'est le cas, au moins pour les systèmes de cette taille, " a déclaré Devereaux.

C'est toujours une question ouverte de savoir si le modèle Hubbard décrit tout le comportement incroyablement complexe des vrais cuprates, il ajouta. Même une petite augmentation de la complexité du système nécessiterait un énorme saut dans la puissance de l'algorithme utilisé pour le modéliser. "Le temps qu'il faut pour faire votre simulation augmente de façon exponentielle avec la largeur du système que vous voulez étudier, " Devereaux a déclaré. "C'est exponentiellement plus compliqué et exigeant."

Mais avec ces résultats, il a dit, « Nous avons maintenant un modèle totalement interactif qui décrit la supraconductivité à haute température, au moins pour les systèmes aux tailles que nous pouvons étudier, et c'est un grand pas en avant."