Када се струја креће кроз жице, део њене енергије се губи на путу. Тај губитак, међутим, можда није неизбежан. Истраживачи у Пенн Стате-у развили су нови начин за идентификацију материјала познатих као суперпроводници – супстанце које могу носити електричну струју са нултим отпором, што значи да се енергија не губи током преноса.
Изазов хладних суперпроводника
Упркос њиховом обећању, већина суперпроводних материјала још увек се не може користити у свакодневној технологији. Њихова изванредна способност да проводе електричну енергију појављује се само на екстремно ниским температурама, далеко испод онога што је практично за енергетске системе или напредну електронику. Уз подршку програма „Теорија кондензоване материје“ у оквиру основних енергетских наука Одељења за енергетику (ДОЕ), тим Пенн Стејта створио је нови рачунарски приступ за предвиђање који материјали могу показати суправодљивост, потенцијално отварајући пут проналажењу оних који раде на много вишим температурама, чак и близу собне.
Нови поглед на дуготрајну мистерију
Предвиђање суперпроводљивости – посебно у материјалима који би могли да раде на вишим температурама – остао је нерешен изазов. Постојеће теорије су се дуго сматрале тачним само за суперпроводнике на ниским температурама, објаснио је Зи-Куи Лиу, професор науке о материјалима и инжењерства у Пенн Стате-у.
„Циљ је одувек био да се подигне температура на којој постоји суправодљивост“, рекао је Лиу, водећи аутор нове студије објављене у Наука и технологија о суперпроводницима. „Али прво, морамо да разумемо како се тачно дешава суправодљивост, и ту долази наш рад.“
Како класична теорија објашњава суперпроводнике
Деценијама, научници су се ослањали на теорију Бардеен-Цоопер-Сцхриеффер (БЦС) да би описали како конвенционални суперпроводници функционишу на екстремно ниским температурама. Према овој теорији, електрони се крећу без отпора због интеракције са вибрацијама у атомској решетки, које се називају фонони. Ове интеракције омогућавају електронима да се упаре у оно што је познато као Цоопер парови, који се крећу синхронизовано кроз материјал, избегавајући атомске сударе и спречавајући губитак енергије као топлоту.
„Замислите супераутопут само за електроне“, објаснио је Лиу. „Ако има превише рута, електрони наилазе на ствари и губе енергију. Али ако за њих направите прави тунел, попут аутопута у Немачкој, они могу да путују брзо и слободно без отпора.“
Потрага за моћи без отпора
Ова способност преношења енергије без отпора је оно што суперпроводнике чини тако обећавајућим, рекао је Лиу. Ако научници могу да развију материјале који остају суперпроводни на вишим температурама, електрична енергија би могла да путује даље, брже и ефикасније, трансформишући глобалне системе напајања. Да би се разумео овај феномен, пројекат подржан од стране ДОЕ користи рачунарске алате познате као теорија функционалне густине (ДФТ). ДФТ помаже моделирати како се електрони понашају у обичним проводницима у поређењу са суперпроводницима. Тим претпоставља да иако ДФТ не моделира директно Куперове парове, електронска густина коју предвиђа требало би да личи на густину упарених електрона, омогућавајући истраживачима да проучавају потенцијално суперпроводљиво понашање.
До недавно, БЦС теорија и ДФТ – један описује упаривање електрона, а други укорењен у квантној механици – третирани су одвојено. Лиуов тим је пронашао начин да повеже ове оквире, стварајући нови пут за предвиђање суперпроводљивости.
Представљамо теорију зентропије
Пробој се усредсређује на концепт који се зове теорија зентропије. Овај приступ спаја принципе из статистичке механике, која проучава колективно понашање многих честица, са квантном физиком и савременим рачунарским моделирањем. Теорија зентропије повезује електронску структуру материјала са начином на који се његова својства мењају са температуром, откривајући када прелази из суперпроводног у несуперпроводљиво стање. Да би применили теорију, научници морају разумети како се материјал понаша на апсолутној нули (нула Келвина), најнижој могућој температури, где престаје свако кретање атома. Лиуов тим је показао да чак и ДФТ – иако првобитно није био намењен проучавању суправодника – може пружити кључне увиде у то када и како настаје суправодљивост.
Предвиђање следеће генерације суперпроводника
Према Лиуу, нова метода омогућава научницима да предвиде да ли би материјал могао постати суперпроводљив. Теорија зентропије тада може проценити критичну температуру на којој материјал губи то својство. Класична БЦС теорија успешно објашњава суперпроводнике који раде само на веома ниским температурама, али не успева за високотемпературне варијанте, где се Купер парови лакше распадају. Кроз ДФТ моделирање, Лиуова група је открила да у високотемпературним суперпроводницима, електронски „супераутопут“ остаје стабилан због јединствене атомске структуре – слично понтонском мосту који се савија са таласима, омогућавајући електронима да се несметано крећу чак и када се топлотне вибрације повећавају.
Користећи овај комбиновани приступ, тим је успешно предвидео суправодљиво понашање у конвенционалним и високотемпературним материјалима, укључујући онај који традиционална теорија није могла да објасни. Такође су предвидели потенцијалну суперпроводљивост у бакру, сребру и злату – металима који се обично не сматрају суправодницима – вероватно зато што би им биле потребне изузетно ниске температуре да би се ефекат појавио. Ова открића могу убрзати откривање нових материјала који раде као суперпроводници на вишим, практичнијим температурама.
Следећи кораци у потрази за практичним суперпроводницима
Истраживачи Пенн Стате сада планирају да прошире свој рад на два начина. Прво ће користити теорију зентропије да предвиде како притисак утиче на температуру на којој суперпроводници губе отпор. Друго, они ће претражити огромну базу података од пет милиона материјала како би идентификовали нове кандидате који би могли показати суправодљивост. Циљ је пронаћи материјале који највише обећавају и сарађивати са експерименталним истраживачима како би их тестирали.
„Не објашњавамо само оно што је већ познато“, рекао је Лиу. „Градимо оквир да откријемо нешто потпуно ново. Ако буде успешан, приступ би могао да доведе до открића високотемпературних суперпроводника који раде у практичним окружењима, потенцијално чак и на собној температури ако постоје. Таква врста открића могла би да има огроман утицај на модерну технологију и енергетске системе.“
Схун-Ли Сханг, истраживач науке о материјалима и инжењеринга у Пенн Стате, је коистраживач на овој студији.
Министарство енергетике САД је подржало ово истраживање.
