在新一期《科學(xué)》雜志上，美國紐約熨斗研究所團(tuán)隊報告稱，他們在理解相對較高溫度下超導(dǎo)性起源方面取得了突破。這些發(fā)現(xiàn)涉及自1986年以來一直困擾科學(xué)家的一類超導(dǎo)體——銅酸鹽。

該圖顯示了電子（可以向上或向下自旋）如何在哈伯德模型中形成條紋圖案。最近對該模型的突破性計算正在幫助科學(xué)家更好地了解一類稱為銅酸鹽的高溫超導(dǎo)體。

圖片來源：西蒙斯基金會

超高速懸浮列車、遠(yuǎn)距離無損電力傳輸、更快的核磁共振機(jī)器……如果人們能夠制造出室溫下無電阻傳輸電力的超導(dǎo)材料，那么所有這些先進(jìn)應(yīng)用都可以實現(xiàn)。在上個世紀(jì)大部分時間里，物理學(xué)家認(rèn)為，超導(dǎo)性只存在于-243℃（高于絕對零度約30℃）以下的極低溫度，但如此低溫需要昂貴的冷卻系統(tǒng)才能達(dá)到。1986年，銅酸鹽被發(fā)現(xiàn)，其高溫超導(dǎo)性震驚了科學(xué)界：銅酸鹽在-123℃仍能保持超導(dǎo)性。這會大幅降低冷卻成本。

團(tuán)隊此次成功地用一個二維哈伯德模型再現(xiàn)了銅酸鹽超導(dǎo)的特征。該模型將銅酸鹽視為圍繞“量子棋盤”移動的電子，在模型中，研究人員為電子賦予了對角跳躍的能力，就像國際象棋中的象。這種調(diào)整結(jié)合超級計算機(jī)模擬，讓團(tuán)隊捕捉到了先前實驗中出現(xiàn)的銅氧化物的超導(dǎo)性和其他幾個關(guān)鍵特征。

團(tuán)隊將銅酸鹽想象為氧化銅層與其他離子層交替的烤寬面條。當(dāng)電流無電阻地流過氧化銅層時，就會產(chǎn)生超導(dǎo)性。模型將每一層描繪成一個棋盤，電子可以在其中向北、向南、向東、向西跳躍。這種復(fù)雜性來自于量子力學(xué)特性：這些層中都有電子，每個電子都有向上或向下的自旋。

在早期使用的簡單哈伯德模型中，添加或刪除電子并不會產(chǎn)生超導(dǎo)性。相反，穩(wěn)定的棋盤變成了條紋圖案。然而，當(dāng)團(tuán)隊將對角線跳躍因子添加到哈伯德模型中時，條紋僅被部分填充，超導(dǎo)性出現(xiàn)了。

這一新突破不僅將推進(jìn)高溫超導(dǎo)研究，而且對利用經(jīng)典計算研究量子世界帶來重要啟發(fā)。