Ученые объяснили, как искать материалы с током без потерь
Представьте, что вы можете отправить электричество через всю страну без единой потери — но до сих пор для этого требовался холод, как в открытом космосе.
Когда электричество бежит по проводам, оно неизбежно теряет часть своей силы. Чем дальше от электростанции, тем меньше энергии доходит до розетки. Но физики давно знают, что эти потери — не железный закон природы. Ученые из Университета штата Пенсильвания нашли способ вычислять особые материалы — сверхпроводники. В них ток путешествует без всякого сопротивления, то есть энергия не уходит в тепло и не пропает по пути.
Однако есть большая заноза: обычная жизнь пока не дружит со сверхпроводниками. Им нужны чудовищные холода, какие редко встретишь даже в лаборатории. Для батареек нового поколения или продвинутой электроники это почти бесполезно. Группа исследователей под руководством Цзы-Куй Лю, профессора материаловедения, получила поддержку от программы «Теория конденсированного состояния» Министерства энергетики США и разработала новый метод предсказания сверхпроводников. Если метод сработает, ученые смогут искать такие материалы, которые работают при более высоких температурах, не тыкая пальцем в небо.
Подробности опубликованы в издании Superconductor Science and Technology.
Долгие годы главной объяснялкой сверхпроводимости служила теория Бардина — Купера — Шриффера (БКШ). Она хорошо описывает низкотемпературные сверхпроводники. Согласно этой теории, способность проводить ток без потерь держится на взаимодействии электронов с кристаллической решеткой. Электроны объединяются в пары, названные куперовскими, и движутся согласованно, не сталкиваясь с атомами. А раз нет столкновений, нет и потерь энергии на тепло.
Профессор Люобъясняет это просто:
Представьте себе супермагистраль только для электронов. Если маршрутов слишком много, они во
что-нибудь врезаются и теряют энергию. А если проложить для них прямой туннель, как немецкий автобан, то они поедут быстро и свободно, без сопротивления.
Именно такая езда без пробок и делает сверхпроводники такими привлекательными для реальной техники. Без сопротивления электроны могут уходить дальше, пронося с собой больше энергии. Если удастся поднять рабочую температуру, то появятся долгоживущие источники питания, и мы будем передавать электричество совсем по-другому.
В рамках проекта DOE ученые используют теоретический инструмент под названием теория функционала плотности (ТФП). Обычно ТФП не создавалась для изучения сверхпроводимости, но исследователи предположили, что плотность электронов, вычисленная этим методом, должна напоминать плотность из-за куперовских пар. Раньше теория БКШ и расчеты по ТФП существовали сами по себе. Команда Лю нашла мостик между ними.
Теория функционала плотности (ТФП) — это метод компьютерного моделирования, который позволяет рассчитать, как электроны распределяются внутри вещества, не решая сложнейшие уравнения для каждого электрона по отдельности. Вместо этого ТФП работает с усредненной электронной плотностью — примерно как если бы вы хотели узнать, сколько людей в городе, но не стали бы пересчитывать жильцов каждой квартиры, а измерили бы общую яркость окон вечером. Метод очень популярен в физике и химии, но изначально он не предназначался для сверхпроводимости, потому что не учитывает спаривание электронов. Ученые из Пенсильвании придумали, как вытянуть из ТФП скрытые признаки этого спаривания.
Секрет кроется в концепции, которую они называют «центропийная теория» (от английского zentropy). Это умное слово соединяет статистическую механику (науку о поведении толп частиц) с квантовой физикой и компьютерным моделированием. Центропийная теория объясняет, как электронное устройство материала влияет на его свойства при изменении температуры, и в какой момент он перестает быть сверхпроводником. Но для этой теории нужно понимать, как выглядит сверхпроводящая конфигурация материала при абсолютном нуле — самой холодной температуре, где замирает всякое движение атомов. Авторы работы показали, что даже обычная ТФП может дать ключевые подсказки о том, когда и как возникает сверхпроводимость.
Этот подход ценен тем, что предлагает свежий способ предсказания: будет ли материал сверхпроводником. А центропийная теория потом позволяет рассчитать температуру перехода из сверхпроводящего состояния в обычное. Теория БКШ хорошо работает только при очень низких температурах, потому что куперовские пары разрушаются от тепла. Для высокотемпературных сверхпроводников единой теории до сих пор не было. Через предсказания ТФП группа Лю обнаружила, что свободная от сопротивления автострада для электронов в высокотемпературном сверхпроводнике защищена особой атомной структурой — похожей на понтонный мост на бурной воде. Поэтому автобан сохраняется при более высоких температурах, которые предсказывает та же теория БКШ.
Команда успешно использовала свой метод, чтобы увидеть признаки сверхпроводимости в обычных низкотемпературных материалах и даже в одном высокотемпературном сверхпроводнике, который раньше считался необъяснимым с позиций теории БКШ. Более того, ученые предсказали сверхпроводимость у меди, серебра и золота — эти металлы обычно не считаются сверхпроводниками, вероятно, из-за слишком низких температур перехода. Новая возможность поможет открывать сверхпроводящие материалы, работающие при более высоких температурах.
Сейчас у исследователей две ближайшие задачи.
- Во-первых, применить новый метод к уже известным высокотемпературным сверхпроводникам и через центропийную теорию предсказать, как меняется температура перехода под давлением.
- Во-вторых, заняться поиском новых сверхпроводников с еще более высокой температурой перехода.
Для этого у команды есть база данных на пять миллионов материалов. Они намерены отобрать самых перспективных кандидатов и передать их экспериментаторам для проверки в реальных опытах.
Профессор Лю подводит итог:
Мы не просто объясняем то, что уже известно. Мы строим систему, чтобы открыть нечто совершенно новое. Если получится, то подход приведет к созданию высокотемпературных сверхпроводников, пригодных для практики — возможно, даже работающих при комнатной температуре, если такие существуют. Подобный прорыв имел бы огромное влияние на технику и энергетику.
Стоимость технологии с точки зрения доступности
Пока говорить о цене готового устройства рано — исследование чисто теоретическое. Сами расчеты на суперкомпьютерах обходятся недешево, но это копейки по сравнению с экспериментами. Если
Что было до и степень прорыва
До этого ученые полагались либо на теорию БКШ (точную только для холода), либо на перебор материалов наугад. Многие пытались связать квантовую механику с экспериментальными данными, но мостика не находили. Нынешняя работа — не революция, а маленький, но аккуратный шажок. Они не создали комнатный сверхпроводник, а всего лишь предложили новую систему отбора. Однако в науке именно такие «фильтры» иногда круче, чем ложные сенсации.
Этичность и возможный вред
Никакой этической дилеммы здесь нет. Исследование фундаментальное, не связано с людьми или животными, не создает оружия. Вред может быть лишь косвенным: если методика окажется ошибочной (а такое бывает), то другие группы потратят гранты и годы на ложные следы. Но это риск любой науки, а не злой умысел.
Когда сможет испытать каждый
Терпеливому человеку — лет через 15–20, если повезет. Беспокойному — никогда. Чтобы пощупать работающий высокотемпературный сверхпроводник в бытовом приборе, нужно сначала создать стабильный образец, потом внедрить в технологию, потом удешевить. Пока даже лабораторных прототипов за порогом комнаты нет. Авторы сами говорят: «если они существуют». Так что не ждите в ближайшие годы.
Сравнение с аналогами
Другие научные группы тоже пытаются предсказывать сверхпроводники через машинное обучение и квантовые расчеты. Главные конкуренты — проекты типа Materials Project и Google AI (у них есть свои базы данных). Отличие метода Пенсильванского университета в том, что он пытается примирить старую теорию БКШ с расчетами плотности. Аналоги в основном либо бьют по высокотемпературным веществам «вслепую», либо полагаются на чистую статистику. Сильный плюс работы — объяснение, почему медь и золото могут быть сверхпроводниками (ранее их пропускали). Минус — пока не проверили экспериментально ни одного нового предсказания.
Критика работы
Ученые научились предсказывать сверхпроводимость там, где она уже известна, и даже нашли ее у меди и золота теоретически. Но экспериментально никто не подтвердил, что их способ действительно открывает новый материал с температурой выше, чем у известных рекордсменов. То есть методика может давать ложноположительные ответы. К тому же они сами признают: центропийная теория требует знания состояния при абсолютном нуле, а вычислить его точно почти невозможно для сложных соединений. Получается красивая математика, которая может споткнуться о реальность. Критики скажут: «Покажите хоть один новый сверхпроводник, найденный этим методом, а не объясните старые». И это будет справедливо.
Ранее ученые создали новый сверхпроводник с хиральной структурой.
