科学家揭示高温超导本质，为争论30年的高温超导理论提供答案
科学家揭示高温超导本质，为争论30年的高温超导理论提供答案
超导现象是当超导体被冷却到临界（极低温）条件下，表现出超导特性：其电阻降低为 0，电流不会衰减。
20 世纪，在很多物理学家看来，超导性仅在大约零下 243 摄氏度的极低温度下才能实现。
1986 年，铜氧化物超导体被科学家发现，这种在高温超导材料在零下 123 摄氏度仍可保持超导特性，在当时引起了广泛的关注。
但是，对于该材料在较高温度下保持超导性的原因，科学家们却尚不清楚。与此同时，科学家也在积极地探索室温超导的可能性。
长期以来，人们对室温超导材料抱有很高的期待。
原因在于，一旦它被成功地开发验证，有望为诸多应用场景带来颠覆性的变革，例如，超快的磁悬浮列车、远程无损电力传输、更快的核磁共振成像设备……
哈伯德模型是一种量子力学模型，用来描述分子中原子轨道的相互作用，对于理解分子结构、化学键的形成以及分子性质等具有重要的意义。
近期，美国 Flatiron Institute 团队与合作者为高温超导起源的理解带来新的进展。他们提出一种强关联系统数值方法，利用二维哈伯德模型对系统进行精确模拟计算，对铜氧化物的超导性几个关键特性进行重现。
“经过 30 多年的努力，目前仍然没有相对可靠的答案，人们通常认为解析哈伯德模型必须等待量子计算机的出现。”该论文通讯作者、Flatiron Institute 高级研究员张世伟表示，“该研究不仅将推进高温超导的研究，而且有望激发更多使用‘经典’计算，来探索量子世界奇迹的研究。”
新研究使用二维的哈伯德模型，来研究铜氧化物材料中的超导性（来源：Science）
该课题组观察到，电子、空穴掺杂的二维哈伯德模型中，具有次近邻跳跃的超导性。他们将铜氧化物中的电子看作在“量子棋盘”中运动，并且它们具有向各个方向“跳跃”的能力。
基于此，能够实现在超级计算机持续数千周的模拟，以此证明了哈伯德模型能够用来揭示铜氧化物产生超导性的原因。
近日，相关论文以《哈伯德模型中超导性与部分填充条纹的共存》（Coexistence of superconductivity with partially filled stripes in the Hubbard model）为题发表在 Science 上[1]。
美国威廉与玛丽学院徐昊博士、国立中山大学钟家民（Chia-Min Chung）助理教授为共同第一作者，Flatiron Institute 张世伟担任通讯作者。
相关论文（来源：Science）
值得关注的是，该研究结合了两种互补计算——量子蒙特卡罗和密度矩阵重整化群的数值方法。并且，研究人员通过这种计算，研究了下一个最近邻跳跃的哈伯德模型的基态。
根据结果，他们在具有次近邻跳跃二维哈伯德模型的电子和空穴掺杂区域都确定具有超导态，且超导级数与掺杂之间的关系与实验温度相图基本一致。
其中，在电子掺杂区域表现出相对较弱的超导性，与此同时，在低掺杂条件还具有反铁磁奈尔相关性。
在空穴掺杂的强超导性与条纹序共存，此外，这种条纹序在空穴密度调制较弱的过掺杂区域依然持续存在。
这些条纹的填充序在 0.6-0.8 范围内波动。根据结果显示，具有次近邻跳跃的哈伯德模型非常适用于描述铜氧化物的高温度（Tc）超导性。
基于张量网络的数值方法正在迅速发展。如果能够计算出与实验高度相关的物理量，例如单模激发谱和电导率，该理论则可以进一步解释实验观察到的现象。
图丨d 波配对顺序参数与掺杂 δ 的函数关系（来源：Science）
该论文第一作者徐浩出生于 1995 年，本科就读于中国科学技术大学，并在威廉与玛丽学院获得物理博士学位，博士导师为张世伟。他的主要研究方向是哈伯德模型条纹和超导。
徐浩（来源：威廉与玛丽学院）
钟家民表示：“这项模型构建研究的重要性在于，科学家们终于能够准确理解超导模型的低温特性，并能进一步深入了解高温超导的理论机制。理论模型计算结果与实验观测结果一致，有助于高温超导的后续应用。”
他指出，除了凝聚态系统，强关联系统数值方法还能够应用于高能物理、量子化学系统或生物系统。因此，该研究提供了一条新途径，对理论物理的进步具有重要意义。
参考资料：
1.H.Xu et al. Coexistence of superconductivity with partially filled stripes in the Hubbard model.Science384，6696(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7691
https://phys.org/news/2024-05-quantum-breakthrough-perplexing-high-temperature.html#google_vignette