Osiągnięcie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej to jeden z największych, nierozwiązanych problemów współczesnej nauki. Choć nadprzewodniki odkryto ponad sto lat temu, większość z nich wymaga ekstremalnych warunków – temperatur bliskich zeru absolutnemu lub ogromnych ciśnień. Zespół z Penn State proponuje jednak nowatorskie podejście, które może przyspieszyć poszukiwania “idealnego” materiału.
Czytaj też: Chiński nadprzewodnik przekracza ważną granicę. Za tym progiem dzieją się zadziwiające rzeczy
Ich metoda opiera się na teorii zentropii – koncepcji łączącej mechanikę statystyczną z fizyką kwantową. Dzięki zaawansowanym symulacjom komputerowym pozwala ona uchwycić subtelne zależności między strukturą elektronową a właściwościami materiału w różnych temperaturach. W praktyce oznacza to możliwość przewidzenia, kiedy i w jakich warunkach dany związek stanie się nadprzewodnikiem. Szczegóły opisano w Superconductor Science and Technology.
Nadprzewodniki jak superautostrady dla elektronów
Badacze wyjaśniają, że wysokotemperaturowe nadprzewodniki można porównać do superautostrad dla elektronów – dróg, po których cząstki poruszają się bez oporu, chronione przez specyficzną strukturę atomową materiału. Ta struktura działa niczym most pontonowy na wzburzonej wodzie: stabilizuje elektrony, pozwalając im płynąć swobodnie nawet w temperaturach, które wcześniej uznawano za zbyt wysokie.
Czytaj też: Wydawało się to niemożliwe. Naukowcy odkrywają nietypowe zachowanie elektronów w nadprzewodniku
Co istotne, zespół z Penn State wykazał, że nawet metody obliczeniowe pierwotnie nieprzeznaczone do badania nadprzewodnictwa – jak gęstościowa teoria funkcjonalna – mogą dostarczyć cennych wskazówek, jeśli połączyć je z teorią zentropii. Dzięki temu udało się nie tylko opisać znane już zjawiska, ale też przewidzieć nowe przypadki nadprzewodnictwa w materiałach wcześniej uznawanych za nieaktywne.
Największym zaskoczeniem okazało się przewidzenie właściwości nadprzewodzących w metalach szlachetnych – miedzi, srebrze i złocie. Dotąd uważano, że nie mają one potencjału nadprzewodnikowego, jednak obliczenia wskazują, że w odpowiednich warunkach mogą wykazywać to zjawisko. To odkrycie może otworzyć zupełnie nowy rozdział w projektowaniu materiałów o praktycznym zastosowaniu – od elektroniki po energetykę.
Badania finansowane przez amerykański Departament Energii (DOE) w ramach programu Theory of Condensed Matter są częścią globalnych wysiłków na rzecz stworzenia materiałów, które będą działać w codziennych warunkach, bez konieczności chłodzenia ciekłym helem czy azotem.
Zespół z Penn State planuje teraz dwa kolejne kroki. Po pierwsze – wykorzystać nową metodę do przewidywania temperatur przejścia w funkcji ciśnienia w już znanych materiałach. Po drugie – przeszukać gigantyczną bazę danych obejmującą ponad pięć milionów związków chemicznych, by odnaleźć zupełnie nowe nadprzewodniki wysokotemperaturowe.