Квантовый эмулятор поможет создать высокотемпературные сверхпроводники

Физики MIT разработали модель взаимодействия электронов в сверхпроводящих материалах, благодаря которой можно наблюдать движение отдельных атомов и измерять их скорость. Понимание этих принципов в конечном счете откроет путь к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.

Высокотемпературные сверхпроводники способны преобразить практически все отрасли, от энергетики до транспорта. Материалы, в которых пары электронов движутся, не создавая трения — то есть без потери энергии — могли бы существенно повысить эффективность электроники.

Однако, несмотря на десятилетия исследований, мало что известно о сложных взаимодействиях спинов и зарядов электронов с такими сверхпроводящими материалами, как купраты, сложными соединениями меди, пишет MIT News.

Модель Ферми — Хаббарда, описывающая поведение электронов в твердых телах, — основа высокотемпературной сверхпроводимости. Ее очень просто описать, но до сих пор было невозможно решить, говорит профессор Мартин Цвирляйн, глава проекта.

«Эта модель — всего лишь атомы или электроны, прыгающие по решетке, а затем, когда они оказываются друг над другом с одной стороны решетки, они начинают взаимодействовать, — объясняет он. — Но даже несмотря на то, что это самая простая модель взаимодействия электронов внутри таких материалов, в мире не существует компьютера, который мог бы просчитать эту задачу».

Поэтому исследователи решили построить квантовый эмулятор, в котором атомы замещают электроны. Для его создания они использовали лазерные лучи, имитирующие кристаллическую решетку, и заключили внутрь ее около 400 атомов.

Воздействовав на имитацию кристаллической решетки магнитным полем, ученые смогли наблюдать движение атомов и измерить их скорость, узнав, таким образом, проводимость материала.

Эмулятор позволяет ученым измерять перенос спинов атомов и то, как на него влияет взаимодействие атомов внутри материала. До сих пор измерить этот показатель в купратах было невозможно. «Это чудесная платформа. Мы можем наблюдать за каждым атомом в отдельности во время его движения. С электронами такого не сделаешь», — говорит Цвирляйн.