Когда электричество движется по проводам, часть энергии неизбежно теряется в виде тепла. Но в сверхпроводниках этого не происходит — электроны движутся без сопротивления, не теряя ни капли энергии. Проблема в том, что большинство известных сверхпроводников работают только при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю, что делает их непрактичными для использования в обычной жизни.
Открытие специалистов Университета штата Пенсильвания может привести к революции в энергетике и электронике, если благодаря новой технологии удастся найти материалы, работающие при комнатной температуре.
«Цель всегда заключалась в повышении температуры, при которой сохраняется сверхпроводимость. Но сначала нам нужно точно понять, как эта сверхпроводимость вообще возникает, и именно здесь вступает в дело наша работа», — объясняет руководитель исследования, профессор материаловедения Цзы-Куй Лю.
На протяжении десятилетий ученые использовали для объяснения работы низкотемпературных сверхпроводников теорию Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Согласно этой теории, электроны объединяются в пары Купера и движутся синхронно через материал, избегая столкновений с атомами. «Представьте супермагистраль только для электронов. Если есть слишком много путей, электроны сталкиваются с препятствиями и теряют энергию. Но если создать для них прямой туннель, как автобан в Германии, они могут двигаться быстро и свободно без сопротивления», — поясняет Лю.
Уникальность подхода, разработанного учеными, заключается в объединении классической теории БКШ с современными вычислительными методами через новую концепцию, названную теорией зентропии. Эта теория связывает электронную структуру материала с тем, как его свойства меняются с температурой, позволяя предсказать момент перехода в сверхпроводящее состояние.
Используя новый подход, ученые успешно предсказали сверхпроводящее поведение как в обычных, так и в высокотемпературных материалах, включая те, которые традиционная теория объяснить не могла. Неожиданно метод также предсказал потенциальную сверхпроводимость в меди, серебре и золоте — металлах, которые обычно не считаются сверхпроводниками. Впрочем, для появления уникальных сверхпроводящих свойств в этих металлах все-таки необходимы экстремально низкие температуры.
Теперь специалисты собираются проанализировать базу данных из пяти миллионов материалов, чтобы найти новых кандидатов в сверхпроводники. «Мы не просто объясняем уже известное. Мы создаем основу для открытия чего-то совершенно нового. В случае успеха наш подход может привести к открытию высокотемпературных сверхпроводников, работающих в практических условиях, возможно, даже при комнатной температуре, если они существуют. Такой прорыв мог бы оказать огромное влияние на современные технологии и энергетические системы», — заключает Лю.
Ранее физики превратили обычный полупроводник в сверхпроводник.
