Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали новый метод для выявления материалов, способных проводить электричество без потерь энергии при более высоких температурах. Когда электрический ток движется по проводам, часть его энергии теряется. Однако ученые считают, что этих потерь можно избежать. Новый подход позволяет идентифицировать так называемые сверхпроводники – вещества, которые могут переносить электрический ток с нулевым сопротивлением, что исключает потери энергии при передаче.
Несмотря на их потенциал, большинство сверхпроводящих материалов пока не могут использоваться в повседневных технологиях. Их уникальная способность проводить электричество проявляется только при экстремально низких температурах, что непрактично для современных энергетических систем или электроники. Команда из Пенсильвании при поддержке программы «Теория конденсированного состояния» Министерства энергетики США создала новый вычислительный подход для прогнозирования материалов, которые могут обладать свойствами сверхпроводимости, потенциально открывая путь к поиску тех, что работают при гораздо более высоких – возможно, даже близких к комнатной – температурах.
Прогнозирование сверхпроводимости, особенно в материалах, которые могли бы функционировать при высоких температурах, долгое время оставалось нерешенной задачей. Существующие теории считались точными только для низкотемпературных сверхпроводников, как пояснил Цзы-Куй Лю, профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. «Цель всегда заключалась в том, чтобы повысить температуру, при которой сохраняется сверхпроводимость, – отметил Лю, ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Superconductor Science and Technology. – Но для начала нам нужно точно понять, как возникает это явление, и именно здесь наша работа вносит свой вклад».
На протяжении десятилетий ученые полагались на теорию Бардина–Купера–Шриффера (BCS) для описания работы традиционных сверхпроводников. Согласно этой теории, электроны движутся без сопротивления благодаря взаимодействию с колебаниями атомной решетки, называемыми фононами. Эти взаимодействия позволяют электронам объединяться в так называемые куперовские пары, которые синхронно движутся сквозь материал, избегая столкновений с атомами и предотвращая потерю энергии в виде тепла. «Представьте себе скоростную магистраль только для электронов, – объяснил Лю. – Если маршрутов слишком много, электроны сталкиваются с препятствиями и теряют энергию. Но если создать для них прямой туннель, они смогут двигаться быстро и свободно».
Именно эта способность передавать энергию без сопротивления делает сверхпроводники столь перспективными. Если ученые смогут разработать материалы, сохраняющие сверхпроводимость при более высоких температурах, электричество можно будет передавать дальше, быстрее и эффективнее, что преобразит мировые энергосистемы. Для изучения этого явления проект, поддержанный Министерством энергетики, использует вычислительные инструменты, известные как теория функционала плотности (DFT). Этот метод помогает моделировать поведение электронов в обычных проводниках по сравнению со сверхпроводниками. Команда выдвинула гипотезу, что, хотя DFT напрямую не моделирует куперовские пары, предсказанная им электронная плотность должна быть схожа с плотностью спаренных электронов.
До недавнего времени теория BCS и DFT рассматривались отдельно друг от друга. Команда Лю нашла способ связать эти концепции, создав новый путь для прогнозирования сверхпроводимости. Прорыв основан на концепции, названной zentropy theory. Этот подход объединяет принципы статистической механики, квантовой физики и современного компьютерного моделирования. Zentropy theory связывает электронную структуру материала с тем, как его свойства меняются с температурой, показывая, когда он переходит из сверхпроводящего состояния в обычное. Для применения теории ученым необходимо понимать поведение материала при абсолютном нуле, где прекращается всякое атомарное движение. Команда Лю продемонстрировала, что даже DFT, изначально не предназначенная для изучения сверхпроводников, может дать ключевое представление о том, когда и как возникает сверхпроводимость.
По словам Лю, новый метод позволяет ученым предсказать, может ли материал стать сверхпроводником, а затем оценить критическую температуру, при которой он теряет это свойство. Классическая теория BCS успешно объясняет низкотемпературные сверхпроводники, но не работает для высокотемпературных, где куперовские пары легче разрушаются. С помощью DFT-моделирования группа Лю обнаружила, что в высокотемпературных сверхпроводниках «электронная магистраль» остается стабильной благодаря уникальной атомной структуре, похожей на понтонный мост, который изгибается вместе с волнами, позволяя электронам плавно двигаться даже при усилении тепловых колебаний.
Используя этот комбинированный подход, команда успешно предсказала сверхпроводящее поведение как в традиционных, так и в высокотемпературных материалах, включая один, который классическая теория объяснить не могла. Они также спрогнозировали потенциальную сверхпроводимость в меди, серебре и золоте – металлах, которые обычно не считаются сверхпроводниками, вероятно, потому что для проявления этого эффекта им требуются чрезвычайно низкие температуры. Эти выводы могут ускорить открытие новых материалов, работающих как сверхпроводники при более практичных температурах.
Теперь исследователи из Пенсильвании планируют расширить свою работу в двух направлениях. Во-первых, они будут использовать zentropy theory для прогнозирования того, как давление влияет на критическую температуру сверхпроводников. Во-вторых, они намерены проанализировать базу данных из пяти миллионов материалов для выявления новых кандидатов. Цель – найти наиболее перспективные вещества и совместно с экспериментаторами проверить их свойства. «Мы не просто объясняем то, что уже известно, – сказал Лю. – Мы создаем основу для открытия чего-то совершенно нового. В случае успеха этот подход может привести к созданию высокотемпературных сверхпроводников, которые будут работать в практических условиях».
