光致d波超导实验与理论。(a)铜酸盐中电荷主导相的现有光诱导或增强超导实验示意图。(b) Cheng-Chien Chen等人近期工作的模拟结果总结。资料来源:王瑶、石涛、陈承建
在我们的生活中，平衡可能很难实现，但它是自然的标准状态。
从化学和物理的角度来看，平衡有点枯燥——至少对阿拉巴马大学伯明翰分校的物理学助理教授Chen Cheng-Chien来说是这样。他的研究试图通过探索非平衡态的可能性来构建物质的新状态并控制这些状态。
“我们的主要目标之一是看看，当我们把电子系统驱动到非平衡态时，我们是否可以稳定平衡态中不存在的新相，但在非平衡态中它们可能成为主导，”陈说。“这是非均衡研究中的圣杯之一。”
最近，在国家科学基金会(NSF)的支持下，Chen一直在研究泵浦探针光谱的影响，它使用超短激光脉冲激发(泵浦)样品中的电子，产生非平衡状态，而一个较弱的光束(探针)监测泵浦诱导的变化。
陈的理论工作表明，使用这种方法可以在比以前更高的温度下产生超导性，这为革命性的新电子和能源设备打开了大门。
在2018年发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的文章中，Chen和他的合作者、来自克莱姆森大学(Clemson University)的Yao Wang指出，通过泵浦-探测系统，可以产生d波超导性，并使其成为主导相。
在最近发表于2021年11月的《物理评论X》上的一篇文章中，Chen和Wang进一步表明，在某些情况下，虽然d波配对强度可以增强，但产生的电子Cooper对是局域的，而不是长程相关的。因此，光诱导超导性质可能是波动的。
Chen使用超级计算机来模拟非平衡系统中电子的量子行为。他最近的工作使用的是Frontera，这是所有大学中速度最快的超级计算机，在世界上速度排名第13。陈目前是Frontera领导资源分配奖获得者。
通常，模拟量子系统需要某种程度的近似。然而，为了揭示光诱导态的空间涨落，Chen和Wang开发了一种新的方法，以非常高的数值精度精确地处理电子相互作用效应和电子-晶格耦合。他们认为，这种精度对于描述强相关系统具有重要意义。
铜对(在低温下结合在一起的电子)的时间相关长度和空间分布。资料来源:王瑶、石涛、陈承建
“在量子材料中，比如过渡金属化合物，电子之间的相互作用非常强，所以我们不能再把电子当作独立的粒子，”他说。
他用旅行车辆的比喻来解释这种系统。在空荡荡的高速公路上，人们可以随心所欲地开车，不受其他车辆的干扰。但在交通堵塞时，一辆车的运动会影响到所有其他车。高度相关系统中的电子被困在大规模的交通堵塞中，使它们具有独特的、潜在可控的特性。
Chen使用一种叫做大规模矩阵对角化的方法来计算单个电子的行为，这是一种基本的线性代数运算，在科学计算中有广泛的应用，而且计算密度很高。他构建的追踪电子的矩阵是巨大的——340亿乘以340亿，或超过1万亿个元素——只能在Frontera这样大小的计算机上进行研究，同时使用超过数万个并行处理器。
“这是一个真正的量子多体模拟，在处理相互作用方面没有近似，”他解释说。
第一步是识别物质潜在的新相，包括被称为横波、d波和p波的奇异态。下一步是生产和控制这些阶段。
他解释说:“我们可以通过控制激光泵浦的频率和振幅来抑制某些相，诱导新的相，并选择性地控制物质的相。”
超导可能听起来像科幻小说，但它已经是量子计算机的关键组成部分，如IBM Q、磁悬浮列车和MRI机器。然而，超导的应用并不广泛。
“材料需要在非常低的温度下保持超导性，这需要大量的能量，”陈说。“找到稳定超导体的方法，即使是短期状态，也将为应用开辟更多的机会。”
利用Frontera，他有能力模拟在极短的时间尺度内非平衡系统会发生什么，Chen说。“这将帮助我们理解并最终控制下一代技术的不同新阶段。”