Материалы для сверхпроводников, которые передают энергию без сопротивления, функционируют оптимальным образом в том случае, когда средняя плотность высокого и низкого заряда изменяется на наноразмерном уровне.

В ходе исследования, направленного на лучшее понимание динамики высокотемпературной сверхпроводимости, ученые переписали вычислительный код для числовой модели Хаббарда, которая ранее предполагала, что медносоставные материалы, известные как купраты, являются гомогенными — то есть обладают одинаковой электронной плотностью от атома до атома.

Ведущий автор Томас Майер с коллегами Гонсало Альваресом, Майклом Саммерсом и Томасом Шультессом два года назад получили приз Гордона Белла от Ассоциации вычислительной техники за высокоэффективное вычислительное приложение.

Последнее теперь используется для исследования наноразмерной неоднородности в сверхпроводниках, которая уже достаточно давно известна, но так и остается необъясненной.

Работа опубликована в издании Physical Review Letters.

«Купраты и другие химические соединения, используемые в качестве сверхпроводников, требуют очень холодных температур, близких к абсолютному нулю, для перехода из фазы сопротивления к его отсутствию», сказал Джек Уэллс, директор Службы институционального планирования и формальный лидер группы Computational Materials Sciences.

Для охлаждения сверхпроводников в переходной фазе применяется жидкий азот. Чем более охлажден проводящий материал для достижения сверхпроводниковой фазы без сопротивления, тем менее эффективна и более затратна сверхпроводниковая инфраструктура. Последние применяются на поездах на магнитной левитации, в медицинском оборудовании, в ускорителях частиц и некоторых городских коммунальных сооружениях.

В ходе экспериментов, проводимых на купратах, проявляющих полосатую электронную неоднородность, в течение многих лет ученые замечали, что сверхпроводимость материалов сильно зависит от наноразмерных особенностей.

«Цель после приза Гордона Белла состоит в том, чтобы взять супервычислительное приложение и выяснить, увеличили или уменьшили температуру, необходимую для перехода, эти неоднородные полосы», сообщил Уэллс. «Обнаружив, что полосность приводит к сильному повышению критической температуры, мы сейчас можем задаться вопросом: существует ли оптимальная неоднородность?»

В идеальном мире материал мог стать сверхпроводящим при легко достижимой и поддерживаемой низкой температуре, исключая большую часть стоимости охлаждающей инфраструктуры.

«Следующий шаг в нашем исследовании — это серьезная проблема», заключил Уэллс. «Однако с точки зрения нашей лаборатории все основные инструменты подходят для изучения феномена — вычислительных кодов, которые мы написали, экспериментов по рассеиванию нейтронов, которые позволят нам исследовать наноразмерные свойства».

На фото: поезд на магнитной левитации в Шанхае.