条纹有助于解决超导的谜

想象一下从未热过的手机和笔记本电脑，或者永远不会失去电能的电网。这是从事所谓高温超导体工作的科学家们的梦想，他们可以毫不费力地携带无阻力的电流。第一个高温超导材料，称为铜，被发现于上世纪80年代和后来成为诺贝尔奖的主题。“高温”是相对的这些材料在高达摄氏零下135度的严寒，比传统的高一点，工作在更寒冷的温度接近绝对零度（零下273摄氏度）。

尽管三年前发现了高温超导体，研究人员仍在对材料如何工作保持清醒的头脑。科学家们知道答案与电子成对粘在一起，就像粘在一起一样，但是电子“胶水”的性质是未知的。针对胶可能最终导致室温超导材料的创新和节能电脑和其他一系列创新铺平道路，如磁悬浮列车。

加州理工学院的Garnet Chan、Bren的化学教授，是试图以一种稍微不同的方法破解的问题：量子化学。他和他的同事们发展了数值模拟，利用量子力学的方程式，绘制出电子在各种材料中的运动。在《科学》杂志上的一篇新论文中，他们发现高温超导材料有序排列成一种条纹状的电荷模式，Chan和他的同事们称之为“电荷之河”——在它们变成超导之前。通过进行令人难以置信的精确的数值模拟，Chan和他的合作者能够排除所有其他有利于条纹状态的候选模式。

他们进一步研究了条纹被挤在一起时会发生什么，一个可能发生在模式自然波动中的场景，发现电子自发配对。换句话说，电荷之河与长期寻求的电子胶密切相关。这一发现在解决高温超导问题的竞赛中是一条重要线索。

Chan说：“我喜欢人们几十年来一直在思考的问题，我认为许多科学家都同意高温超导可能是材料中最令人困惑的现象之一。”虽然条纹行为的可能性以前已经提到过，但它只是众多候选竞争模式中的一种。此外，人们不知道这种条纹是否有利于超导电性，或者实际上杀死超导态。我们的研究结果不仅表明条纹是真实的，而且它们与超导现象的产生有着密切的联系。”

在这项新的研究中，Chan和多个机构的合作者使用了四种非常不同的数值方法来模拟高温超导材料。一般来说，科学家们使用哈伯德模型描述这些材料，这是六十年代发展起来的一种数学模型，它解释了许多材料特别是高温超导材料的电子行为。虽然哈伯德模型的方程比较简单，但求解它们的电子行为需要计算能力。这就是新的数值方法所帮助的：他们预测了电子在材料中的组织方式，提高了精确度，他们表明电荷自发地组织成条纹图案。

“我们已经为凝聚态物理学中最重要的模型之一提供了一个明确的数值解，它与高温超导性有着密切的联系，”这项研究的主要作者、加州理工学院和普林斯顿的前博士生薄晓正说。What’s more, we used four independent numerical simulations to come to the same conclusion—a necessary cross-check given the complex behaviors possible in these materials.”

Chan说：“这使人们对高温超导体如何工作起了一个重要的作用。”反过来，这也提供了一种乐观态度，即有朝一日有可能实现全面的理解。”

其他作者的文章，题为“在二维Hubbard模型的欠掺杂区域的条纹，“Chia Min Chung和加州大学欧文分校的Steven White；阿姆斯特丹大学的Philippe Corboz；Georg Ehlers与菲利普斯大学äT马尔堡Reinhard Noack；明朴沁，Hao Shi，石伟张威廉玛丽学院。该研究是由美国能源部科学办公室资助；西蒙斯基金会通过西门子合作在多电子问题；西蒙斯办案程序；国家科学基金会；欧洲研究委员会和德国科学基金会。

Whitney Clavin写的