量子突破揭露令人困惑的高溫超導體
編譯／高晟鈞
來自Flatiron Institute的科學家張世偉和他的夥伴透過對哈伯德模型（Hubbard Model）的重新計算，幫助科學家更好地理解首個突破超導臨界溫度（液態氮溫度，約77度K）的超導體「酮酸鹽材料」，其背後困擾了科學家近40年的秘密。
震驚世界的酮酸鹽
上個世紀，大部分物理學家認為，材料的超導性只存在於接近絕對零度（只比絕對零度高約30度）的極低溫下。而如此低的溫度需要使用極為昂貴的液態氮冷去卻系統。因此，1986年當液當銅酸鹽被發現時，它們在相對更高溫度（-123OC）下的超導性震驚了科學界，因為這意謂著使用相對便宜的液態氮就可以達到這樣的溫度。
酮酸鹽（Cuprate）是含銅陰離子的鹽類，其結構像是氧化銅與其他離子層交替堆疊的千層蛋糕。當電流可以無阻礙地流過氧化銅層時，就會產生超導性。
二維哈伯德模型
二維哈伯德模型的最簡單版本僅使用兩個術語，將每一層描繪成一個西洋棋盤，電子可以在其中向北、向南、向東、向西跳躍。
「當我在高溫超導的早期開始研究哈伯德模型時，我們認為一旦我們在一個小『棋盤』上模擬了純模型，我們就會完全理解超導性。然而，事實上量子力學將一切都變得複雜了。」研究合著者Steven White說道。
更直白來說，每層都居住著電子，每個電子都有向上或下的自旋，並可能糾纏在一起。這種糾纏意味著即使相距很遠也無法單獨處理電子，因此想要在電腦上模擬它們變得極其困難。即使使用如哈伯德模型如此簡單的方程，在像地球一樣大的電腦上模擬上千年，都無法得到正確的答案。
尋求捷徑
處理這種複雜的計算需要捷徑。對此研究人員以指數方式縮短了計算時間。為了處理由於添加對角線跳躍而產生的極其複雜的模型，研究人員將這兩種技術結合起來。一種技術認為電子更像粒子；另一個則強調其波動結構，而兩者可以相互驗證。
經過多年驗證，物理學家發現，當電子數量與棋盤上的空間數量相同時，電子會形成上下自旋交替的穩定棋盤圖案，但這種裝置並不是超導的；事實上，它根本不導電。因此，銅酸鹽需要改變電子數量來影響模型的物理特性。
添加或刪除電子本身並不會產生超導性。相反的，穩定的棋盤變成了條紋圖案，條紋由帶有額外電子的線或帶有被移除電子留下的空穴的線組成。然而當研究人員將對角線跳躍因子添加到哈伯德模型中時，條紋僅被部分填充，超導性出現了。
條紋的出現究竟是導致超導性的關鍵，與他拮抗的現象，抑或是介於兩者之間，目前的答案仍難有定論。儘管這篇論文依舊沒有給出絕對的定論，但它證明了更好地利用常規電腦，而非等待量子計算機的技術或演算法，不失為一種探索高溫超導的方法之一!
資料來源:Innovation
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