12:30 ص
فيزياء الكم
يقول باحثون في جامعة ستانفورد ومختبر تسريع SLAC الوطني التابع لوزارة الطاقة إنهم وجدوا أول دليل طال انتظاره على أنه يمكن استخدام نموذج علمي طويل الأمد لسلوك المواد لمحاكاة وفهم الموصلية الفائقة عالية الحرارة - وهي خطوة مهمة نحو إنتاج والسيطرة على هذه الظاهرة المحيرة في الإرادة.
تشير المحاكاة التي أجراها ، والتي نُشرت في مجلة ساينس اليوم ، إلى أن الباحثين قد يكونوا قادرين على تشغيل وإيقاف الموصلية الفائقة في المواد التي تعتمد على النحاس وتسمى الكوباترات عن طريق التغيير في كيميائهم ، لذلك تقفز الإلكترونات من ذرة إلى ذرة في نمط معين - كما لو كانت التنقل إلى ذرة قطريا عبر الشارع بدلا من الباب المجاور.
وقال توماس ديفيريوس مؤلف مشارك في الدراسة ، مدير معهد ستانفورد لعلوم المواد والطاقة (SLES): "الشيء الكبير الذي تريد معرفته هو كيفية جعل الموصلات الفائقة تعمل في درجات حرارة أعلى وكيفية جعل الموصلية الفائقة أكثر قوة". "إن الأمر يتعلق بالعثور على المقابض التي يمكن أن تتحول إلى قلب التوازن لصالحك."
وقال إن أكبر عقبة أمام القيام بذلك تتمثل في عدم وجود نموذج - التمثيل الرياضي لكيفية تصرف النظام - الذي يصف هذا النوع من الموصلية الفائقة ، التي أثار اكتشافها في عام 1986 الآمال في أن الكهرباء قد تنقل في يوم من الأيام دون أي خسارة. خطوط الكهرباء فعالة تماما والقطارات ماجليف.
في حين يعتقد العلماء أن نموذج هوبارد ، المستخدم لعقود لتمثيل سلوك الإلكترون في العديد من المواد ، قد ينطبق على توصيل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، حتى الآن لم يكن لديهم دليل على ذلك ، كما قال هونغ تشن جيانغ ، وهو أحد أعضاء فريق عمل سيمز ومؤلف مشارك في نقل.
"لقد كانت هذه مشكلة كبيرة لم يتم حلها في هذا المجال - هل يصف نموذج هوبارد الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية في الكبسولات ، أم أنه يفتقد إلى بعض المكونات الرئيسية؟" هو قال. "نظرًا لوجود عدد من الدول المتنافسة في هذه المواد ، يتعين علينا أن نعتمد على عمليات محاكاة غير متحيزة للإجابة على هذه الأسئلة ، لكن المشكلات الحسابية صعبة للغاية ، ولذلك كان التقدم بطيئًا".
الوجوه العديدة للمواد الكمومية
لماذا صعبة للغاية؟
في حين أن العديد من المواد تتصرف بطرق يمكن التنبؤ بها للغاية - النحاس دائمًا ما يكون معدنًا ، وعندما تقوم بتفكيك المغناطيس ، فإن البتات لا تزال مغناطيسية - الموصلات الفائقة عالية الحرارة هي مواد كمومية ، حيث تتعاون الإلكترونات لإنتاج خصائص غير متوقعة. في هذه الحالة ، يتزاوجون لتوصيل الكهرباء دون مقاومة أو خسارة في درجات حرارة أعلى بكثير مما يمكن أن تفسره نظريات الموصلية الفائقة.
على عكس المواد اليومية ، يمكن للمواد الكمومية استضافة عدد من المراحل ، أو حالات المادة ، في وقت واحد ، كما قال ديفيريو. على سبيل المثال ، قد تكون المادة الكمية معدنية تحت مجموعة واحدة من الظروف ، ولكنها عازلة تحت ظروف مختلفة قليلاً. يمكن للعلماء أن يوازنوا بين المراحل عن طريق العبث في كيمياء المادة أو الطريقة التي تتحرك بها الإلكترونات حولها ، على سبيل المثال ، والهدف من ذلك هو القيام بذلك بطريقة مدروسة لإنشاء مواد جديدة ذات خصائص مفيدة.
تُعرف واحدة من أقوى الخوارزميات في مواقف النمذجة مثل مجموعة إعادة تكوين مصفوفة الكثافة ، أو DMRG. ولكن نظرًا لأن هذه المراحل المتعايشة معقدة للغاية ، فإن استخدام DMRG لمحاكاة هذه العمليات يتطلب الكثير من وقت الحساب والذاكرة وعادةً ما يستغرق وقتًا طويلاً ، كما قال جيانغ.
لتقليل وقت الحوسبة والوصول إلى مستوى أعمق من التحليل عما كان يمكن أن يكون عمليًا من قبل ، بحث جيانغ عن طرق لتحسين تفاصيل المحاكاة. وقال "علينا تبسيط كل خطوة بعناية ، وجعلها أكثر فاعلية قدر الإمكان وحتى إيجاد طرق لفعل شيئين منفصلين في آن واحد". سمحت هذه الكفاءات للفريق بتشغيل عمليات محاكاة DMRG لنموذج هوبارد بشكل أسرع بكثير من ذي قبل ، مع حوالي سنة من وقت الحوسبة في مجموعة الحوسبة شيرلوك في ستانفورد وغيرها من المرافق في حرم SLAC.
التنقل الجيران الإلكترون
ركزت هذه الدراسة على التفاعل الحساس بين مرحلتين معروفتين بوجودهما في الكوبرات — الموصلية الفائقة ودرجات الشحن المرتفعة درجة الحرارة ، والتي تشبه نمط موجة بكثافة إلكترون أعلى وأقل في المادة. العلاقة بين هذه الدول ليست واضحة ، حيث تشير بعض الدراسات إلى أن خطوط الشحن تعزز الموصلية الفائقة والبعض الآخر يشير إلى أنها تتنافس معها.
لتحليلهم ، أنشأ Jiang و Devereaux نسخة افتراضية من cuprate على شبكة مربعة ، مثل سياج من الأسلاك مع ثقوب مربعة. تنحصر ذرات النحاس والأكسجين في الطائرات في المادة الحقيقية ، لكن في الإصدار الافتراضي تصبح ذرات مفردة افتراضية تتواجد عند كل تقاطع طرق تلتقي فيه الأسلاك. يمكن لكل من هذه الذرات الافتراضية استيعاب أكثر من إلكترونين حر في القفز أو القفز - إما لجيرانهما المباشرين على الشبكة المربعة أو قطريًا عبر كل مربع.
عندما استخدم الباحثون DMRG لمحاكاة نموذج هوبارد المطبق على هذا النظام ، اكتشفوا أن التغييرات في قفز الإلكترونات كان للأنماط تأثير ملحوظ على العلاقة بين خطوط الشحن والتوصيل الفائق.
عندما قفزت الإلكترونات فقط لجيرانها المباشرين على الشبكة المربعة ، أصبح نمط شرائط الشحن أقوى ولم تظهر حالة الموصلات الفائقة أبدًا. عندما تم السماح للإلكترونات بالقفز قطريًا ، ضعفت خطوط الشحن في النهاية ، لكنها لم تختف ، وظهرت في النهاية حالة الموصلية الفائقة.
وقال Devereaux: "حتى الآن لم نستطع المضي قدمًا بشكل كافٍ في نمذجةنا لمعرفة ما إذا كانت خطوط الشحن والموصلية الفائقة يمكن أن تتعايش عندما تكون هذه المادة في حالة الطاقة الأدنى. والآن نعرف أنها تفعل ذلك ، على الأقل بالنسبة للأنظمة بهذا الحجم".
وأضاف أنه لا يزال السؤال مفتوحا عما إذا كان نموذج هوبارد يصف كل السلوك المعقد بشكل لا يصدق للكوابيس الحقيقية. حتى الزيادة الصغيرة في تعقيد النظام ستتطلب قفزة هائلة في قوة الخوارزمية المستخدمة لتصميمه. وقال Devereaux "الوقت الذي يستغرقه إجراء المحاكاة الخاصة بك يرتفع بسرعة هائلة مع عرض النظام الذي تريد دراسته." "الأمر أكثر تعقيدًا وصعوبة."
ولكن مع هذه النتائج ، قال: "لدينا الآن نموذج تفاعلي بالكامل يصف الموصلية الفائقة لدرجات الحرارة العالية ، على الأقل للأنظمة ذات الأحجام التي يمكننا دراستها ، وهذه خطوة كبيرة إلى الأمام".
ليست هناك تعليقات: