超导体吗?他们正在探索这种奇怪的量子材料的身份危机。

东北大学的研究人员利用一个强大的计算机模型来探索一类令人困惑的铜基材料，这些材料可以被转变成超导体。他们的发现为一个存在了几十年的谜团提供了诱人的线索，也为量子计算向前迈进了一步。

材料让电流流动的能力来自于其原子内电子的排列方式。根据这些排列或配置，所有的材料要么是绝缘体，要么是导体。

但是铜酸盐，一种由铜氧化物制成的神秘物质，在科学界以某种身份问题而闻名，这种身份问题可以使它们成为绝缘体和导体。

在正常情况下，铜是绝缘体:一种阻止电子流动的材料。但是通过调整它们的组成，它们可以转变成世界上最好的超导体。

这种超导性在1986年的发现为它的发现者赢得了1987年的诺贝尔奖，并使科学界为改进超级计算和其他关键技术的可能性而着迷。

但令人着迷的是，30年来科学家们一直困惑不解:他们无法完全破译铜的超导电子排列。

东北大学杰出的物理学教授Arun Bansil说，绘制这些材料的电子构型可以说是理论物理学中最困难的挑战之一。他说,因为超导是一个奇怪的现象只发生在温度低至-300 F(或一样冷就在天王星),找出的机制,可以在第一时间可以帮助研究人员让超导体,在室温下工作。

现在，包括班西尔和东北大学物理学教授罗伯特·马凯维奇(Robert Markiewicz)在内的一组研究人员提出了一种新的方法，来模拟这些导致铜酸盐超导性的奇怪机制。

在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表的一项研究中，研究小组准确地预测了电子在一组被称为钇钡铜氧化物的铜酸盐中运动时的行为。

研究发现，在这些铜酸盐中，超导性来自多种类型的电子构型。具体来说，多达26个。

“在这个过渡阶段，这种材料本质上将变成不同阶段的某种汤，”Bansil说。“这些奇妙材料的人格分裂现在首次被揭示出来。”

铜超导体内部的物理学本质上是怪异的。Markiewicz认为这种复杂性是印度古典神话中关于盲人和大象的故事，几十年来，这一直是研究铜的理论物理学家们的一个笑话。

根据这个神话，盲人第一次见到大象，并试图通过触摸来了解大象是什么。但是因为它们每一个都只接触到身体的一个部分——例如，鼻子、尾巴或腿——它们对大象的概念都是不同的(而且是有限的)。

“一开始，我们都用不同的方式研究铜，”马凯维奇说。“但我们知道，正确的方式迟早会出现。”

马凯维奇说，铜酸盐背后的机制也有助于解释其他材料在极端温度下转变为超导体背后的令人困惑的物理学原理，并彻底改变它们用于量子计算和其他以超高速处理数据的技术的方式。

马凯维奇说:“我们正在试图理解，在实验中使用的实际铜酸盐中，它们是如何结合在一起的。”

建立铜超导体模型的挑战来自于量子力学的奇异领域，它研究的是最微小物质的行为和运动，以及在原子尺度上支配一切的奇怪物理规则。

Bansil说，在任何给定的材料中，例如，你的智能手机中的金属——电子只包含在指尖的空间中——可以是1后面跟22个0。自从量子力学领域诞生以来，建立如此大量电子的物理模型就极具挑战性。

Bansil喜欢把这种复杂性想象成罐子里的蝴蝶快速而聪明地飞行，以避免相互碰撞。在导电材料中，电子也可以移动。由于物理力的结合，它们也会互相避开。这些特性是铜材料难以建模的核心。

“铜酸盐的问题在于，它们处于金属和绝缘体之间的边缘，你需要一个非常精确的计算，以便系统地捕捉到这种交叉，”马凯维奇说。“我们的新模型可以捕捉这种行为。”

这个团队包括来自杜兰大学、芬兰拉彭兰塔科技大学和坦普尔大学的研究人员。研究人员是第一个不用在计算中手动添加参数来模拟铜原子中的电子状态的人，这是物理学家过去不得不做的。

为了做到这一点，研究人员模拟了钇钡铜氧化物原子能量的最低水平。这样，研究人员就可以在电子激发和移动时对其进行追踪，从而有助于描述支持临界转变为超导的机制。

这种转变被称为材料中的赝隙阶段，可以简单地描述为一扇门，Bansil说。在绝缘体中，这种材料的结构就像一扇紧闭的门，不让任何人通过。如果门是大开着的——就像导体一样——电子就很容易通过。

但在经历准间隙阶段的材料中，这扇门会微微打开。是什么把这扇门变成了一扇真正敞开的门(或者说是超导体)，其动力学仍然是一个谜，但新模型捕获了26个可以做到这一点的电子构型。

Bansil说:“现在我们有能力进行无参数第一原则的建模，我们可以更进一步，希望能更好地理解这个伪间隙阶段。”

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