Da li su superprovodnici na sobnoj temperaturi konačno na dohvatu?

Naučnici sa Pensilvanijskog državnog univerziteta razvili su nov metod za predviđanje superprovodnih materijala koji bi mogli da rade na višim temperaturama.

Njihov model povezuje klasičnu teoriju superprovodnosti sa kvantnom mehanikom putem teorije zentropije. Ovaj napredak bi mogao dovesti do otkrića moćnih materijala bez otpornosti za primenu u stvarnom svetu i transformisati energetsku tehnologiju.

Preporučujemo

Drugačije rečeno, istraživači su povezali teorije kvantne mehanike i superprovodnosti radi predviđanja materijala koji bi mogli provoditi struju bez gubitka energije na višim temperaturama.

Kad struja prolazi kroz žice, deo njene energije se gubi na tom putu. Međutim, taj gubitak možda nije neizbežan. Istraživači su razvili nov način za identifikovanje materijala poznatih kao superprovodnici – supstanci koje mogu da nose električnu struju bez otpora, što znači da se energija ne gubi tokom prenosa.

Izazov hladnih superprovodnika

Uprkos očekivanjima, većina superprovodnih materijala još uvek ne može da se koristi u svakodnevnoj tehnologiji. Njihova izuzetna sposobnost da provode struju pojavljuje se samo na ekstremno niskim temperaturama, daleko nižim od onoga što je praktično za energetske sisteme ili naprednu elektroniku.

Uz podršku "Teorije kondenzovane materije", programa Ministarstva energetike, istraživači sa Pensilvanskog državnog univerziteta stvorili su nov računarski pristup za predviđanje koji materijali bi mogli ispoljiti superprovodnost, potencijalno otvarajući put za pronalaženje onih koji funkcionišu na mnogo višim temperaturama, koje su čak bliske sobnim.

Predviđanje superprovodnosti – naročito u materijalima koji bi mogli da funkcionišu na višim temperaturama – ostaje nerešen problem. Postojeće teorije se dugo smatraju tačnim samo za superprovodnike na niskim temperaturama.

"Cilj je da se podigne temperatura na kojoj superprovodnost opstaje. Međutim, prvo moramo da razumemo tačno kako se superprovodnost dešava", kažu istraživači.

Klasična teorija

Decenijama se naučnici oslanjaju na BCS (Bardin-Kuper-Šrifer) teoriju da opišu kako konvencionalni superprovodnici funkcionišu na ekstremno niskim temperaturama: elektroni se kreću bez otpora zbog interakcija sa vibracijama u atomskoj rešetki, koje se zovu fononi. Ove interakcije omogućavaju elektronima da se spoje u takozvane Kuperove parove, koji se kreću sinhronizovano kroz materijal, izbegavajući atomske sudare i sprečavajući gubitak energije kao toplote.

"Zamislite autoput samo za elektrone. Ako postoji previše ruta, elektroni se sudaraju sa stvarima i gube energiju. Međutim, ako napravite prav tunel za njih, mogu da putuju brzo i slobodno bez otpora", objašnjavaju istraživači.

Ova sposobnost prenosa energije bez otpora čini superprovodnike tako obećavajućim. Ako naučnici mogu da razviju materijale koji ostaju superprovodni na višim temperaturama, elektricitet bi mogao da putuje dalje, brže i efikasnije, transformišući globalne energetske sisteme.

Radi razumevanja ovog fenomena, projekat koristi računarske instrumente poznate kao teorija funkcionala gustine (DFT). DFT pomaže da se modelira kako se elektroni ponašaju u običnim provodnicima naspram superprovodnika. Hipoteza je da bi, iako DFT ne modelira direktno Kuperove parove, gustina elektrona koju predviđa trebalo da liči na onu kod uparenih elektrona, što omogućava istraživačima da proučavaju potencijalno superprovodno ponašanje.

Donedavno su BCS i DFT – teorija koja opisuje elektronsko uparivanje i teorija ukorenjena u kvantnoj mehanici – tretirane odvojeno. Istraživači su pronašli način da povežu ove okvire, stvarajući novi način za predviđanje superprovodnosti.

Teorija zentropije

Napredak se fokusira na koncept zentropije – ovaj pristup spaja principe iz statističke mehanike, koja proučava kolektivno ponašanje mnogih čestica, sa kvantnom fizikom i modernim računarskim modeliranjem.

Teorija zentropije povezuje elektronsku strukturu materijala sa načinom na koji se njegove osobine menjaju sa temperaturom, otkrivajući kad prelazi iz superprovodnog u nesuperprovodno stanje.

Da bi primenili teoriju, naučnici moraju da razumeju kako se materijal ponaša na apsolutnoj nuli, najhladnijoj mogućoj temperaturi, kad sve atomsko kretanje prestaje. Demonstrirali su da čak i DFT – iako nije prvobitno predviđena za proučavanje superprovodnika – može dati ključne uvide u to kad i kako dolazi do superprovodnosti.

Novi metod omogućava naučnicima da predvide da li bi neki materijal mogao postati superprovodan. Teorija zentropije može zatim proceniti kritičnu temperaturu na kojoj materijal gubi tu osobinu. Klasična BCS teorija uspešno objašnjava superprovodnike koji rade samo na veoma niskim temperaturama, ali nije uspešna u pogledu visokotemperaturne varijante, kad se Kuperovi parovi lakše razdvajaju.

Putem DFT modeliranja, otkriveno je da u visokotemperaturnim superprovodnicima, elektronski "autoput" ostaje stabilan zbog specijalne atomske strukture – slične pontonskom mostu koji se savija sa talasima, dozvoljavajući elektronima da se kreću glatko čak i kad se termalne vibracije povećavaju.

Pomoću ovog kombinovanog pristupa, uspešno je predviđeno superprovodno ponašanje i konvencionalnih i visokotemperaturnih materijala, uključujući jedan koji tradicionalna teorija ne može da objasni.

Takođe je predviđena potencijalna superprovodnost bakra, srebra i zlata – metala koji se obično ne smatraju superprovodnicima – verovatno zato što bi zahtevali ekstremno niske temperature da bi se taj efekat pojavio.

Ovi nalazi bi mogli ubrzati pronalazak novih materijala koji funkcionišu kao superprovodnici na višim, praktičnijim temperaturama.

Istraživači planiraju da prošire svoj rad na dva načina. Prvo, upotrebiće teoriju zentropije radi predviđanja kako pritisak utiče na temperaturu na kojoj superprovodnici gube otpor. Drugo, pretražiće ogromnu bazu podataka od pet miliona materijala radi identifikacije novih kandidata koji bi mogli ispoljiti superprovodnost. Cilj je da se pronađu najperspektivniji materijali i sarađuje sa eksperimentalnim istraživačima u njihovom testiranju.

"Objašnjavamo ono što je već poznato, ali takođe gradimo okvir za otkriće nečeg potpuno novog. Ako bude uspešan, ovaj pristup bi mogao dovesti do otkrića visokotemperaturnih superprovodnika koji funkcionišu u praktičnim uslovima, možda čak i na sobnoj temperaturi. Takav napredak bi mogao imati ogroman uticaj na modernu tehnologiju i energetske sisteme", kažu istraživači.

(Telegraf Nauka/Science Daily)