Высокотемпературная сверхпроводимость «с нуля»: новый метод моделирования может изменить мир сверхпроводимости

10.03.2025 19:54

Представьте себе мир, где электричество течет без единой искры сопротивления, где энергия передается на огромные расстояния без потерь. Этот мир — не фантазия, а реальность, доступная благодаря феномену сверхпроводимости. Однако, у этой захватывающей технологии есть свои ограничения: большинство сверхпроводников работают лишь при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю. Но существуют материалы, так называемые высокотемпературные сверхпроводники, которые проявляют это удивительное свойство при более приемлемых температурах. И вот уже почти полвека ученые бьются над разгадкой их тайны.

Купраты: Слоёный пирог загадок

В центре внимания — купраты, сложные соединения меди и кислорода. В «обычном» состоянии они ведут себя как изоляторы, не пропускающие электрический ток. Более того, они обладают антиферромагнитными свойствами: спины электронов в атомах меди ориентированы противоположно друг другу, образуя сложную «шахматную доску». Но стоит немного изменить их состав, добавив небольшое количество примесей, и происходит чудо — они превращаются в сверхпроводники. И вот тут начинается самое интересное.

Иллюстрация

Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Как именно эти изменения приводят к сверхпроводимости? Какие механизмы лежат в основе этого превращения? Это вопросы, на которые ученые долгое время не могли найти ответы. Классические теории сверхпроводимости, разработанные для традиционных материалов, оказывались бессильными перед сложностью купратов.

Атака «с первого принципа»: Компьютерное моделирование на атомном уровне

Ключом к пониманию может стать моделирование. Но не упрощенное, а максимально точное, учитывающее все квантовые эффекты на атомном уровне. Иными словами, необходимо построить виртуальную модель купрата и посмотреть, как он себя ведет при различных условиях. Именно такой подход, получивший название ab initio (от латинского «с первого принципа»), применила группа исследователей из нескольких ведущих университетов.

Что это значит на практике? Ученые создали мощную компьютерную программу, которая «знает» только о положениях атомов в купрате и законах квантовой механики. Никаких упрощающих предположений, никаких «подгонок» под известные экспериментальные данные. Всё вычисляется «с нуля».

Фреймворк теории внедрения матрицы плотности ab initio (DMET). Он включает в себя решение двух задач об основном состоянии: для вспомогательного среднего поля Гамильтониана (слева), Hlatt = f + Δ → Φ(Δ), и квантовой примеси + Гамильтониана бани (справа), Hemb(Δ) → Ψemb(Δ). Δ модифицируется самосогласованной итерацией до тех пор, пока порядок спаривания κ не станет одинаковым в примеси и задаче вспомогательного среднего поля. Не сохраняющие число частиц члены Δ̄, W, Y в Hemb возникают из DMET конструкции бани из Φ(Δ). В этой работе объемная задача представлена 128 купратными элементарными ячейками, а примесь — суперячейкой 2 x 2, проиллюстрированной выше для CCO (CaCuO2). Цитирование: Cui, ZH., Yang, J., Tölle, J. et al. Ab initio quantum many-body description of superconducting trends in the cuprates. Nat Commun 16, 1845 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56883-x

Автор: Cui, ZH., Yang, J., Tölle, J. et al. Источник: www.nature.com

Давление и слои: Экспериментальные подсказки, подтверждённые теорией

Ученые сосредоточились на двух известных экспериментальных фактах о купратах: влиянии давления и слоистой структуре. Известно, что сжатие купрата приводит к повышению его сверхпроводящей температуры. Также известно, что разные купраты, содержащие разное количество слоев медь-кислородных плоскостей, обладают разными сверхпроводящими свойствами.

Самое удивительное, что компьютерная модель ab initio точно воспроизвела эти экспериментальные результаты. Программа предсказала, как изменится сверхпроводящая температура купрата под давлением, и как она зависит от количества слоев. Это стало серьезным аргументом в пользу правильности выбранного подхода.

Структуры (A) однослойного Hg-1201 (HgBa2CuO4) и (B) двухслойного Hg-1212 (HgBa2CaCu2O6). C. Сравнение расчетных d-волновых SC порядков mSC (столбик) и щелей спаривания Eg (крестик) (Hg-1201, Hg-1212 и CCO) и экспериментальных Tc в зависимости от числа слоев на ячейку. D. AFM порядки m и оцененная SC щель Eg для различных структур соединений (Hg-1201, окисленный Hg-1212 и восстановленный Hg-1212). E. Разница электронной плотности между окисленным и восстановленным Hg-1212 при оптимальном легировании (красный: увеличение электронной плотности окисленного по сравнению с восстановленным, синий: уменьшение электронной плотности). Стрелка указывает на перенос заряда между восстановленной и окисленной структурами. Цитирование: Cui, ZH., Yang, J., Tölle, J. et al. Ab initio quantum many-body description of superconducting trends in the cuprates. Nat Commun 16, 1845 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56883-x

Автор: Cui, ZH., Yang, J., Tölle, J. et al. Источник: www.nature.com

Спины и заряды: Тандем квантовых флуктуаций

Но что же происходит внутри купрата на атомном уровне? Компьютерное моделирование позволило заглянуть внутрь и увидеть, как работают механизмы сверхпроводимости. Оказалось, что ключевую роль играют квантовые флуктуации — короткие, хаотичные изменения спинов и зарядов электронов.

Спиновые флуктуации, возникающие между атомами меди, отвечают за формирование электронных пар, необходимых для сверхпроводимости. Зарядовые флуктуации, связанные с перераспределением электронной плотности между атомами меди и кислорода, создают благоприятную среду для этого процесса. Фактически, это сложный тандем, где спины задают ритм, а заряды настраивают оркестр.

A. Норма различных блоков кластерных амплитуд (N: нормальные флуктуации, N +- 2, N +- 4 аномальные флуктуации). B. Сингулярные значения различных T2 разложений [сохраняющие спин (ΔSz = 0) или спин флуктуирующие (ΔSz = +- 1)] в ab initio расчете купрата (CCO, атмосферное давление); вставка: T2 разложение в однозонной хаббардовской модели плакеты DMET при U = 6). C. Эффект наибольшей сингулярной моды T1 на плотность заряда n (красный: n увеличивается; синий: n уменьшается): сдвиги заряда от кислорода к меди. D. Эффект наибольшей сингулярной моды T2 (сохраняющее спин разложение) на плотность заряда: сдвиги заряда от Cu 3d в пустые Cu орбитали («дыхание») и к O. E. Эффект наибольших левых, правых сингулярных мод T2 (спин флуктуирующее разложение) на спиновую плотность: моменты вдоль диагонали увеличиваются (красный)/уменьшаются (синий). F. SC порядок от различных вариантов решателей. CCSD включает в себя все 4 класса диаграмм (не ограничиваясь показанными), кольцевой CC содержит прямые и обменные кольцевые члены, тогда как прямой кольцевой CC содержит только прямые кольцевые члены. Цитирование: Cui, ZH., Yang, J., Tölle, J. et al. Ab initio quantum many-body description of superconducting trends in the cuprates. Nat Commun 16, 1845 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56883-x

Автор: Cui, ZH., Yang, J., Tölle, J. et al. Источник: www.nature.com

Новые ориентиры: Простые характеристики для поиска идеального сверхпроводника

Результаты моделирования позволили выделить две простые характеристики купрата, которые тесно связаны с его сверхпроводящими свойствами: силу магнитного взаимодействия между соседними атомами меди и степень «общности» электронов между медью и кислородом. Эти характеристики могут стать новыми ориентирами для поиска и создания новых высокотемпературных сверхпроводников.

Будущее сверхпроводимости: от теории к практике

Работа ученых — важный шаг на пути к пониманию сверхпроводимости в купратах. Конечно, компьютерные модели еще не учитывают все факторы, влияющие на свойства этих материалов. Но они доказывают, что полное и точное описание сверхпроводимости, основанное на фундаментальных законах физики, вполне достижимо.

В перспективе, это может привести к созданию новых материалов, работающих при комнатной температуре. Тогда мир без потерь энергии станет не просто фантазией, а повседневной реальностью. Это откроет двери к созданию новых технологий, от сверхмощных компьютеров до транспорта будущего. Путешествие к абсолютному нулю продолжается, и, возможно, мы стоим на пороге новой эры сверхпроводимости.