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Résoudre un mystère supraconducteur avec des calculs additionally précis


Les chercheurs connaissent les matériaux supraconducteurs à foundation de cuivre à haute température, ou cuprates, depuis les années 1980. En dessous d'une certaine température (environ -130 degrés Celsius), la résistance électrique disparaît de ces matériaux et les champs de flux magnétiques sont expulsés. Cependant, la base de cette supraconductivité proceed d'être débattue et explorée.

"Il a été largement admis que les supraconducteurs traditionnels résultent d'électrons interagissant avec des phonons, où les phonons associent deux électrons en tant qu'entité et ces derniers peuvent fonctionner dans un matériau sans résistance", a déclaré Yao Wang, professeur adjoint de physique et d'astronomie à l'Université de Clemson..

Cependant, dans les cuprates, de fortes répulsions connues sous le nom de pressure de Coulomb ont été trouvées entre les électrons et seraient à l'origine de cette supraconductivité spéciale et à haute température.

Les phonons sont l'énergie vibratoire qui provient des atomes oscillants dans un cristal. Le comportement et la dynamique des phonons sont très différents de ceux des électrons, et assembler ces deux pièces du puzzle en interaction a été un défi.

En novembre 2021, écrivant dans la revue Actual physical Evaluate Letters, Wang, avec des chercheurs de l'Université de Stanford, a présenté des preuves convaincantes que les phonons contribuent en fait à une caractéristique clé observée dans les cuprates, ce qui peut indiquer leur contribution indispensable à la supraconductivité.

L'étude a pris en compte de manière innovante les forces des électrons et des phonons ensemble. Ils ont montré que les phonons n'impactent pas seulement les électrons dans leur voisinage immédiat, mais agissent sur les électrons à plusieurs voisins.

"Une découverte importante dans ce travail est que le couplage électron-phonon génère des interactions attractives non locales entre les électrons voisins dans l'espace", a déclaré Wang. Lorsqu'ils n'utilisaient que le couplage neighborhood, ils calculaient une force d'attraction d'un ordre de grandeur inférieur aux résultats expérimentaux. "Cela nous indique que la partie à in addition longue portée est dominante et s'étend jusqu'à quatre cellules unitaires", ou électrons voisins.

Wang, qui a dirigé le volet informatique du projet, a utilisé le supercalculateur Frontera financé par la Countrywide Science Basis (NSF) au Texas Innovative Computing Centre (TACC) – le système universitaire le additionally rapide au monde – pour reproduire des expériences menées au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource et présenté dans Science en septembre 2021 dans une simulation.

Les résultats reposaient non seulement sur les capacités de calcul parallèle extremely-rapides de Frontera, mais également sur une nouvelle méthode mathématique et algorithmique qui permettait une précision bien additionally grande que jamais.

La méthode, appelée diagonalisation exacte variationnelle non gaussienne, peut effectuer des multiplications matricielles sur des milliards d'éléments. "C'est une méthode hybride", a expliqué Wang. "Il traite l'électron et le phonon par deux approches différentes qui peuvent s'ajuster l'une à l'autre. Cette méthode fonctionne bien et peut décrire un couplage fort avec une grande précision." Le développement de la méthode a également été soutenu par une subvention de la NSF.

La démonstration de l'attraction médiée par les phonons a un impression significatif même au-delà du domaine des supraconducteurs. "En pratique, les résultats signifient que nous avons trouvé un moyen de manipuler les interactions de Coulomb", a déclaré Wang, faisant référence à l'attraction ou à la répulsion des particules ou des objets en raison de leur charge électrique.

"Si la supraconductivité provient uniquement des forces de Coulomb, nous ne pouvons pas facilement manipuler ce paramètre", a-t-il déclaré. "Mais si une partie de la raison vient du phonon, alors nous pouvons faire quelque chose, par exemple, mettre l'échantillon sur un substrat qui changera l'interaction électron-phonon. Cela nous donne une path pour concevoir un meilleur supraconducteur."

"Cette recherche donne de nouvelles informations sur le mystère de la supraconductivité cuprate qui peut conduire à des matériaux et dispositifs supraconducteurs à as well as haute température", a déclaré Daryl Hess, directeur de programme à la Division de la recherche sur les matériaux à la NSF. "Ils pourraient trouver leur chemin dans les futurs téléphones portables et ordinateurs quantiques. Un voyage commencé par la créativité humaine, des algorithmes intelligents et Frontera."

Wang et son collaborateur Cheng-Chien Chen, de l'Université de l'Alabama à Birmingham, ont également appliqué cette nouvelle approche et de puissants superordinateurs TACC pour étudier la supraconductivité induite par laser. Ils ont rapporté ces découvertes dans Physical Assessment X en novembre 2021. Et en collaboration avec une équipe de Harvard, Wang a utilisé des superordinateurs TACC pour étudier la development de cristaux de Wigner dans des travaux publiés dans Mother nature en juin 2021.

Comme c'est le cas dans de nombreux domaines scientifiques, les supercalculateurs sont le seul outil capable de sonder le comportement quantique et d'expliquer les phénomènes sous-jacents en jeu.

"En physique, nous avons de très beaux cadres pour décrire un électron ou un atome, mais quand nous parlons de vrais matériaux avec 1023 atomes, nous ne savons pas remark utiliser ces beaux cadres", a déclaré Wang.

Pour les matériaux quantiques ou corrélés en particulier, les physiciens ont eu du mal à appliquer la « belle » théorie. "Donc, à la position, nous utilisons une théorie laide - la simulation numérique des matériaux. Bien que nous n'ayons pas d'ordinateur quantique bien établi pour l'instant, en utilisant des ordinateurs classiques à haute overall performance, nous pouvons faire avancer le problème beaucoup. En fin de compte, cela va guider l'expérience."

Wang travaille actuellement avec IBM et IonQ pour développer des algorithmes quantiques à tester sur les ordinateurs quantiques actuels et futurs. "Le supercalcul est notre première étape."

En ce qui concerne les grands développements futurs de la technologie, Wang pense que les études informatiques, en conjonction avec l'expérience, l'observation et la théorie, aideront à démêler les mystères et à atteindre des objectifs pratiques, comme les matériaux supraconducteurs accordables.

"Un nouvel algorithme peut faire la différence. Additionally de précision numérique peut faire la différence", a-t-il déclaré. "Parfois, nous ne comprenons pas la mother nature d'un phénomène parce que nous n'avons pas regardé d'assez près les détails. Ce n'est que lorsque vous poussez la simulation et zoomez sur le nième chiffre qu'un aspect vital de la character apparaît."