Pesquisadores da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia dizem que encontraram o primeiro, a prova há muito procurada de que um modelo científico de décadas de comportamento do material pode ser usado para simular e compreender a supercondutividade em alta temperatura - um passo importante para produzir e controlar à vontade esse fenômeno intrigante.

As simulações que eles executaram, publicado em Ciência hoje, sugerem que os pesquisadores podem ser capazes de ligar e desligar a supercondutividade em materiais à base de cobre chamados cupratos ajustando sua química para que os elétrons pulem de átomo em átomo em um padrão específico - como se pulassem para o átomo diagonalmente do outro lado da rua, em vez de para aquele próxima porta.

"A grande coisa que você quer saber é como fazer supercondutores operarem em temperaturas mais altas e como tornar a supercondutividade mais robusta, "disse o co-autor do estudo, Thomas Devereaux, diretor do Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) do SLAC. "Trata-se de encontrar os botões que você pode girar para pender a balança a seu favor."

O maior obstáculo para fazer isso, ele disse, tem sido a falta de um modelo - uma representação matemática de como um sistema se comporta - que descreve este tipo de supercondutividade, cuja descoberta em 1986 aumentou as esperanças de que algum dia a eletricidade pudesse ser transmitida sem perda de linhas de força e trens maglev perfeitamente eficientes.

Enquanto os cientistas pensaram no modelo de Hubbard, usado por décadas para representar o comportamento do elétron em vários materiais, pode se aplicar a supercondutores cuprate de alta temperatura, até agora eles não tinham provas, disse Hong-Chen Jiang, um cientista da equipe SIMES e co-autor do relatório.

"Este tem sido um grande problema não resolvido no campo - o modelo de Hubbard descreve a supercondutividade de alta temperatura nos cupratos, ou está faltando algum ingrediente-chave? ", disse ele." Como há uma série de estados concorrentes nesses materiais, temos que confiar em simulações imparciais para responder a essas perguntas, mas os problemas computacionais são muito difíceis, e assim o progresso tem sido lento. "

As muitas faces dos materiais quânticos

Por que tão difícil?

Embora muitos materiais se comportem de maneiras muito previsíveis, o cobre é sempre um metal, e quando você explode um ímã, os bits ainda são magnéticos - supercondutores de alta temperatura são materiais quânticos, onde os elétrons cooperam para produzir propriedades inesperadas. Nesse caso, eles se emparelham para conduzir eletricidade sem resistência ou perda em temperaturas muito mais altas do que as teorias estabelecidas de supercondutividade podem explicar.

Ao contrário dos materiais do dia a dia, materiais quânticos podem hospedar uma série de fases, ou estados da matéria, de uma vez só, Disse Devereaux. Por exemplo, um material quântico pode ser metálico sob um conjunto de condições, mas isolando em condições ligeiramente diferentes. Os cientistas podem inclinar o equilíbrio entre as fases mexendo na química do material ou na forma como seus elétrons se movem, por exemplo, e o objetivo é fazer isso de forma deliberada para criar novos materiais com propriedades úteis.

Um dos algoritmos mais poderosos para modelar situações como essa é conhecido como grupo de renormalização da matriz de densidade, ou DMRG. Mas porque essas fases coexistentes são tão complexas, usar o DMRG para simulá-los requer muito tempo de computação e memória e normalmente leva um bom tempo, Disse Jiang.

Para reduzir o tempo de computação e alcançar um nível de análise mais profundo do que seria prático antes, Jiang procurou maneiras de otimizar os detalhes da simulação. "Temos que agilizar cuidadosamente cada etapa, " ele disse, "tornando-o o mais eficiente possível e até mesmo encontrando maneiras de fazer duas coisas diferentes ao mesmo tempo." Essas eficiências permitiram que a equipe executasse simulações DMRG do modelo Hubbard significativamente mais rápido do que antes, com cerca de um ano de tempo de computação no cluster de computação Sherlock de Stanford e outras instalações no campus SLAC.

Vizinhos de elétrons saltitantes

Este estudo enfocou a delicada interação entre duas fases que são conhecidas em cupratos - supercondutividade de alta temperatura e faixas de carga, que são como um padrão de onda de densidade de elétrons mais alta e mais baixa no material. A relação entre esses estados não é clara, com alguns estudos sugerindo que as faixas de carga promovem a supercondutividade e outros sugerindo que competem com ela.

Para sua análise, Jiang e Devereaux criaram uma versão virtual de um cuprate em uma estrutura quadrada, como uma cerca de arame com buracos quadrados. Os átomos de cobre e oxigênio estão confinados a planos no material real, mas na versão virtual eles se tornam solteiros, átomos virtuais que ficam em cada uma das interseções onde os fios se encontram. Cada um desses átomos virtuais pode acomodar no máximo dois elétrons que estão livres para pular ou pular - para seus vizinhos imediatos na rede quadrada ou diagonalmente em cada quadrado.

Quando os pesquisadores usaram DMRG para simular o modelo de Hubbard aplicado a este sistema, eles descobriram que as mudanças nos padrões de salto dos elétrons tiveram um efeito perceptível na relação entre as faixas de carga e a supercondutividade.

Quando os elétrons saltavam apenas para seus vizinhos imediatos na rede quadrada, o padrão de listras de carga ficou mais forte e o estado supercondutor nunca apareceu. Quando os elétrons puderam saltar diagonalmente, listras de carga eventualmente enfraquecidas, mas não foi embora, e o estado supercondutor finalmente emergiu.

"Até agora, não podíamos ir longe o suficiente em nossa modelagem para ver se as faixas de carga e a supercondutividade podem coexistir quando este material está em seu estado de energia mais baixo. Agora sabemos que sim, pelo menos para sistemas deste tamanho, "Devereaux disse.

Ainda é uma questão em aberto se o modelo de Hubbard descreve todo o comportamento incrivelmente complexo de cupratos reais, ele adicionou. Mesmo um pequeno aumento na complexidade do sistema exigiria um grande salto no poder do algoritmo usado para modelá-lo. "O tempo que leva para fazer sua simulação aumenta exponencialmente rápido com a largura do sistema que você deseja estudar, "Devereaux disse." É exponencialmente mais complicado e exigente.

Mas com esses resultados, ele disse, "Agora temos um modelo totalmente interativo que descreve a supercondutividade de alta temperatura, pelo menos para sistemas nos tamanhos que podemos estudar, e isso é um grande passo à frente. "