Cuando los físicos Georg Bednorz y K. Alex Muller descubrieron los primeros superconductores de alta temperatura en 1986, no se necesitó mucha imaginación para imaginar los beneficios tecnológicos potenciales de aprovechar dichos materiales.
Los superconductores de alta temperatura son materiales que pueden transportar electricidad con una eficiencia perfecta a temperaturas de nitrógeno líquido o cercanas a ella -196 grados Celsius. Aunque su temperatura de funcionamiento puede parecer fría, son una tarde de verano en los trópicos en comparación con sus conocidos previamentehermanos, los llamados superconductores convencionales, que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto -273,15 grados centígrados.
La transmisión de electricidad hipereficiente podría revolucionar las redes eléctricas y los dispositivos electrónicos, permitiendo una amplia gama de nuevas tecnologías. Sin embargo, esa economía energética futura se basa en los avances en la comprensión de cómo funcionan los superconductores de alta temperatura a nivel microscópico.
Desde este descubrimiento, los científicos han estado trabajando para desarrollar una teoría que explique la física esencial de los superconductores de alta temperatura como los óxidos de cobre, llamados cupratos. Una teoría sólida no solo explicaría por qué un material se superconduce a altas temperaturas sino que también sugiere otros materialesque podría crearse para superconducir a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente.
En el corazón de este misterio está el comportamiento de los electrones de los superconductores de alta temperatura en su estado normal es decir, antes de que se vuelvan superconductores. Un equipo dirigido por Thomas Maier del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de los EE. UU. DOEORNL usó la supercomputadora Titan en ORNL para simular cupratos en el camino hacia la superconductividad. Titan, la supercomputadora más rápida de Estados Unidos para la ciencia abierta, es la máquina insignia de Oak Ridge Leadership Computing Facility OLCF, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE.
El equipo de Maier se centró en una unión fundamental en el camino de los cupratos llamada fase pseudogap, una fase intermedia antes de la superconductividad en la que los cupratos exhiben propiedades aislantes y conductoras. En estas condiciones, el camino convencional hacia la superconductividad está bloqueado. El equipo de Maier, sin embargo, identificó una posible ruta alternativa mediada por el impulso magnético de los electrones de los cupratos.
Simulando un grupo de 16 átomos, el equipo midió una fluctuación de fortalecimiento del antiferromagnetismo electrónico, un orden magnético específico en el que los espines de los electrones vecinos apuntan en direcciones opuestas arriba y abajo, a medida que el sistema se enfría.La comprensión de los científicos del pseudogap y cómo la superconductividad emerge de la fase.
Cerrar la brecha pseudo
A temperaturas extremadamente frías, los electrones en ciertos materiales hacen cosas inesperadas. Se emparejan, superan su repulsión natural entre sí y obtienen la capacidad de fluir libremente entre átomos sin resistencia, como un banco de peces en movimiento sincronizado.
En los superconductores convencionales de baja temperatura como el mercurio, el aluminio y el plomo, la explicación de este fenómeno, llamado emparejamiento de Cooper, se entiende bien. En 1957, John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer demostraron que los pares de Coopersurgen de la interacción entre los electrones y la red cristalina vibratoria de un material fonones. Esta teoría, sin embargo, no parece aplicarse a los cupratos y otros superconductores de alta temperatura, que son más complejos en su composición y estructura electrónica.
Los cupratos consisten en capas bidimensionales de cobre y oxígeno. Las capas se apilan una encima de la otra con elementos aislantes adicionales en el medio. Para preparar el escenario para la superconductividad, los elementos traza se sustituyen entre las capas de cobre y oxígeno para extraerelectrones y crean "agujeros", impurezas en el orden magnético de los electrones que actúan como portadores de carga.
A temperaturas suficientemente bajas, este proceso, llamado dopaje de agujeros, da como resultado la aparición de un seudo intervalo, una transición marcada por paradas y arranques electrónicos, como un atasco de tráfico que lucha por aumentar la velocidad.
"En un superconductor convencional, la probabilidad de que los electrones formen pares de Cooper aumenta a medida que disminuye la temperatura", dijo Maier. "En cupratos, las propiedades aislantes del pseudogap interrumpen ese mecanismo. Eso plantea la pregunta, ¿cómo puede surgir el emparejamiento?"
Según las simulaciones del equipo, las fluctuaciones antiferromagnéticas del propio giro de los electrones son suficientes para formar el pegamento.
"Estas fluctuaciones de giro se vuelven mucho más fuertes a medida que el material se enfría", dijo Maier. "La interacción es en realidad muy similar a las vibraciones reticulares, o fonones, en los superconductores convencionales, excepto en los superconductores de alta temperatura, el estado normal delos electrones no están bien definidos y la interacción de los fonones no se fortalece con el enfriamiento ".
El equipo de Maier abordó el problema con una aplicación llamada DCA ++, calculando un grupo de átomos usando un modelo de Hubbard bidimensional, una descripción matemática de cómo se comportan los electrones en materiales sólidos. DCA ++, que significa "aproximación dinámica de grupo", se basaen una técnica cuántica de Monte Carlo que involucra muestreo aleatorio repetido para obtener sus resultados.
"Este modelo es muy simple, es una ecuación muy corta y, sin embargo, es muy difícil de resolver", dijo Maier. "El problema es complejo porque se escala exponencialmente con la cantidad de electrones en su sistema y necesita ungran cantidad de electrones para describir transiciones termodinámicas como la superconductividad ".
Con Titan, el equipo de Maier poseía la potencia informática necesaria para resolver el modelo Hubbard de manera realista y a temperaturas lo suficientemente bajas como para observar la física de pseudogap. El equipo obtuvo acceso a Titan, un Cray XK7 con un rendimiento máximo de 27 petaflops o 27 billones de cálculospor segundo, a través de un 2015 Impacto computacional innovador y novedoso en la asignación del programa de teoría y experimento.
Diseñado por investigadores de ORNL y ETH Zurich en Suiza, DCA ++ maximiza la arquitectura híbrida de Titan haciendo uso de las GPU en cada uno de los 18,688 nodos de Titan. En demostraciones anteriores en Titan, DCA ++ ha superado 15 petaflops. Además, el algoritmo DCA minimizaproblema común asociado con el cálculo de sistemas de muchas partículas utilizando el método de Monte Carlo, el problema del signo fermiónico.
En física, la naturaleza cuántica de los electrones y otros fermiones se describe mediante una función de onda, que puede cambiar de positivo a negativo, o viceversa, cuando se intercambian dos partículas. Cuando los valores positivo y negativo casi se cancelan entre sífuera, calcular con precisión los estados de muchas partículas de los electrones se vuelve complicado.
"El problema de los signos se ve afectado por el tamaño del grupo, la temperatura y la intensidad de las interacciones entre los electrones", dijo Maier. "El problema aumenta exponencialmente y no hay una computadora lo suficientemente grande como para resolverlo. Lo que puede hacer para obteneralrededor de esto se miden los observables físicos utilizando muchos, muchos procesadores. Para eso es bueno Titan ".
DCA ++ funciona midiendo características físicas notables del modelo a medida que camina aleatoriamente a través del espacio de configuraciones electrónicas. Ejecutando en Titán, el código permite grupos más grandes de átomos a temperaturas más bajas, proporcionando una instantánea más completa de la fase de pseudogap que anteslogrado
Transición a temperatura
En adelante, el equipo de Maier se centra en simular sistemas de cuprato más complejos y realistas para estudiar la temperatura de transición a la que se vuelven superconductores, un punto que puede variar mucho dentro de la familia de materiales de óxido de cobre.
Para dar el siguiente paso, el equipo necesitará usar modelos con más grados de libertad, o estados de energía, información que debe derivarse de cálculos de primeros principios que tengan en cuenta todos los electrones y átomos en un sistema.
"Una vez que entendemos eso, podemos preguntar por qué la temperatura de transición es más alta en un material y más baja en otro", dijo Maier. "Si puede responder eso, podría hacer lo mismo para cualquier superconductor de alta temperatura o cualquier materialquieres simular "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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