Titan memancarkan cahaya pada jalur superkonduktor suhu tinggi

Merubah arus lampu utama Shogun 110 dari AC ke DC..modal kabel kamper 20cm (Juli 2019).

Anonim

Ketika fisikawan Georg Bednorz dan K. Alex Muller menemukan superkonduktor suhu tinggi pertama pada tahun 1986, tidak butuh banyak imajinasi untuk membayangkan manfaat teknologi potensial dari memanfaatkan bahan-bahan tersebut.

Superkonduktor suhu tinggi adalah bahan yang dapat mengangkut listrik dengan efisiensi sempurna pada atau dekat suhu nitrogen cair (-196 derajat Celcius). Meskipun suhu operasi mereka mungkin tampak dingin, mereka adalah sore musim panas di daerah tropis dibandingkan dengan saudara-saudara mereka yang sebelumnya dikenal, yang disebut superkonduktor konvensional, yang beroperasi pada suhu mendekati nol mutlak (-273, 15 derajat Celcius).

Transmisi listrik yang tidak efisien dapat merevolusi jaringan listrik dan perangkat elektronik, memungkinkan berbagai teknologi baru. Bahwa ekonomi energi masa depan, bagaimanapun, didasarkan pada kemajuan dalam pemahaman tentang bagaimana superkonduktor suhu tinggi bekerja pada tingkat mikroskopis.

Sejak penemuan ini, para ilmuwan telah bekerja untuk mengembangkan teori yang menjelaskan fisika esensial dari superkonduktor suhu-tinggi seperti oksida tembaga, yang disebut cuprates. Sebuah teori suara tidak hanya akan menjelaskan mengapa bahan superkonduktor pada suhu tinggi tetapi juga menyarankan bahan lain yang dapat dibuat untuk superkonduktor pada suhu yang mendekati suhu kamar.

Inti dari misteri ini adalah perilaku elektron superkonduktor suhu-tinggi 'dalam keadaan normal mereka (yaitu, sebelum mereka menjadi superkonduktor). Sebuah tim yang dipimpin oleh Thomas Maier dari Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dari US Department of Energy (DON) menggunakan superkomputer Titan di ORNL untuk mensimulasikan cuprates di jalan menuju superkonduktivitas. Titan, superkomputer tercepat di Amerika untuk sains terbuka, adalah mesin andalan Fasilitas Kepemimpinan Kepemimpinan Oak Ridge (OLCF), Fasilitas Kantor Pengguna Ilmu Pengetahuan DOE.

Tim Maier berfokus pada titik penting di jalur cuprates yang disebut fase pseudogap, fase di antara sebelum superkonduktivitas di mana cupat menunjukkan baik isolasi dan melakukan properti. Di bawah kondisi ini, jalur konvensional menuju superkonduktivitas diblokir. Tim Maier, bagaimanapun, mengidentifikasi rute alternatif yang mungkin dimediasi oleh magnet push-dan-tarik elektron cuprates.

Dengan mensimulasi gugus 16 atom, tim mengukur fluktuasi kuat antiferromagnetisme elektronik, suatu tatanan magnetik spesifik di mana spin elektron tetangga menunjuk ke arah yang berlawanan (naik dan turun), ketika sistem mendingin. Temuan ini menambah konteks pemahaman para ilmuwan tentang pseudogap dan bagaimana superkonduktivitas muncul dari fase tersebut.

Menjembatani celah (Pseudo)

Pada suhu yang sangat dingin, elektron dalam material tertentu melakukan hal yang tidak diharapkan. Mereka berpasangan, mengatasi tolakan alami mereka terhadap satu sama lain, dan mendapatkan kemampuan untuk mengalir bebas antara atom tanpa hambatan, seperti sekolah ikan dalam gerakan yang tersinkronisasi.

Dalam superkonduktor suhu rendah konvensional seperti merkuri, aluminium, dan timbal, penjelasan untuk fenomena ini — disebut Cooper pairing — dipahami dengan baik. Pada tahun 1957, John Bardeen, Leon Cooper, dan John Robert Schrieffer membuktikan bahwa pasangan Cooper muncul dari interaksi antara elektron dan kisi kristal bergetar (fonon) material. Teori ini, bagaimanapun, tampaknya tidak berlaku untuk cuprates dan superkonduktor suhu tinggi lainnya, yang lebih kompleks dalam komposisi dan struktur elektroniknya.

Cuprates terdiri dari lapisan tembaga dan oksigen dua dimensi. Lapisan ditumpuk di atas satu sama lain dengan elemen isolasi tambahan di antaranya. Untuk mengatur panggung untuk superkonduktivitas, elemen jejak diganti antara tembaga dan lapisan oksigen untuk menarik elektron dan menciptakan "lubang, " kotoran dalam pemesanan magnetik elektron yang bertindak sebagai pembawa muatan.

Pada suhu yang cukup rendah, proses ini, yang disebut doping lubang, menghasilkan kemunculan pseudogap, transisi yang ditandai dengan penghentian dan mulai elektronik, seperti kemacetan yang berjuang untuk menambah kecepatan.

"Dalam superkonduktor konvensional, probabilitas elektron membentuk pasangan Cooper tumbuh ketika suhu menurun, " kata Maier. "Dalam cuprates, properti insulasi pseudogap mengganggu mekanisme itu. Itu menimbulkan pertanyaan, bagaimana pasangan bisa muncul?"

Menurut simulasi tim, fluktuasi antiferromagnetik dari spin elektron sendiri sudah cukup untuk membentuk lem.

"Fluktuasi spin ini menjadi jauh lebih kuat ketika material mendingin, " kata Maier. "Interaksi sebenarnya sangat mirip dengan getaran kisi, atau fonon, dalam superkonduktor konvensional — kecuali dalam superkonduktor suhu-tinggi, keadaan normal elektron tidak terdefinisi dengan baik dan interaksi fonon tidak menjadi lebih kuat dengan pendinginan."

Tim Maier mendekati masalah dengan aplikasi yang disebut DCA ++, menghitung sekelompok atom menggunakan model Hubbard dua dimensi - deskripsi matematis tentang bagaimana elektron berperilaku dalam bahan padat. DCA ++, yang merupakan singkatan dari "pendekatan cluster dinamik", bergantung pada teknik Monte Carlo kuantum yang melibatkan pengambilan sampel acak berulang untuk mendapatkan hasilnya.

"Model ini sangat sederhana - ini adalah persamaan yang sangat singkat - namun sangat sulit untuk dipecahkan, " kata Maier. "Masalahnya kompleks karena skala secara eksponensial dengan jumlah elektron dalam sistem Anda dan Anda memerlukan sejumlah besar elektron untuk menggambarkan transisi termodinamika seperti superkonduktivitas."

Dengan Titan, tim Maier memiliki kekuatan komputasi yang diperlukan untuk memecahkan model Hubbard secara realistis dan pada suhu yang cukup rendah untuk mengamati fisika pseudogap. Tim memperoleh akses ke Titan, Cray XK7 dengan kinerja puncak 27 petaflops (atau 27 kuadriliun kalkulasi per detik), melalui 2015 Dampak Komputasi dan Novel Baru pada Teori dan alokasi program Percobaan.

Dirancang oleh para peneliti di ORNL dan ETH Zurich di Swiss, DCA ++ memaksimalkan arsitektur hybrid Titan dengan memanfaatkan GPU pada setiap 18.688 node Titan. Dalam demonstrasi sebelumnya di Titan, DCA ++ telah menduduki 15 petaflops. Selanjutnya, algoritma DCA meminimalkan masalah umum yang terkait dengan perhitungan banyak sistem partikel menggunakan metode Monte Carlo, masalah tanda fermion.

Dalam fisika, sifat kuantum elektron dan fermion lainnya digambarkan oleh fungsi gelombang, yang dapat berubah dari positif menjadi negatif — atau sebaliknya — ketika dua partikel saling bertukar. Ketika nilai-nilai positif dan negatif hampir membatalkan satu sama lain, secara akurat menghitung keadaan banyak-partikel elektron menjadi sulit.

"Masalah tanda dipengaruhi oleh ukuran cluster, suhu, dan kekuatan interaksi antara elektron, " kata Maier. "Masalahnya meningkat secara eksponensial, dan tidak ada komputer yang cukup besar untuk menyelesaikannya. Apa yang dapat Anda lakukan untuk mengatasinya adalah mengukur fisik yang dapat diamati menggunakan banyak prosesor. Itulah gunanya Titan."

DCA ++ bekerja dengan mengukur karakteristik fisik yang penting dari model saat berjalan secara acak melalui ruang konfigurasi elektronik. Berjalan di Titan, kode memungkinkan untuk kelompok atom yang lebih besar pada suhu yang lebih rendah, memberikan gambaran yang lebih lengkap dari fase pseudogap dari yang sebelumnya dicapai.

Transisi ke Suhu

Ke depan, tim Maier berfokus pada simulasi sistem cuprate yang lebih kompleks dan realistis untuk mempelajari suhu transisi di mana mereka menjadi superkonduktor, sebuah titik yang dapat sangat bervariasi dalam keluarga bahan tembaga-oksida.

Untuk mengambil langkah berikutnya, tim akan perlu menggunakan model dengan derajat kebebasan lebih, atau keadaan energi, informasi yang harus berasal dari kalkulasi prinsip-pertama yang memperhitungkan semua elektron dan atom dalam suatu sistem.

"Begitu kami mendapatkannya, kami dapat bertanya mengapa suhu transisi lebih tinggi dalam satu material dan lebih rendah di yang lain, " kata Maier. "Jika Anda bisa menjawabnya, Anda bisa melakukan hal yang sama untuk superkonduktor suhu-tinggi atau bahan apa pun yang ingin Anda simulasikan."

menu
menu