Teoria funkcjonału gęstości spotyka zentropię
Podstawą działania nowej metody jest połączenie dwóch dotychczas oddzielnych obszarów fizyki. Naukowcy wykorzystali teorię funkcjonału gęstości (DFT) – popularne narzędzie do modelowania właściwości materiałów – z nowatorskim zastosowaniem teorii zentropii. To połączenie pozwala lepiej zrozumieć, jak zmiany temperatury wpływają na zachowanie elektronów w materiale.
Celem zawsze było podniesienie temperatury, w której nadprzewodnictwo się utrzymuje. Ale najpierw musimy zrozumieć, jak dokładnie zachodzi nadprzewodnictwo, i w tym miejscu wkracza nasza praca – tłumaczy Zi-Kui Liu, główny autor badań
Czytaj też: Fizycy natrafili na punkt krytyczny materii jądrowej. Nowe spojrzenie na silne oddziaływania
Tradycyjna teoria BCS, choć doskonale sprawdza się w przypadku nadprzewodników niskotemperaturowych, ma poważne ograniczenia przy wyższych temperaturach. DFT z kolei nie było pierwotnie projektowane z myślą o badaniu zjawisk nadprzewodzących, co do tej pory stanowiło poważną barierę. Zi-Kui Liu w obrazowy sposób tłumaczy mechanizm działania nadprzewodników:
Wyobraź sobie superautostradę tylko dla elektronów. Jeśli jest zbyt wiele tras, elektrony wpadają na rzeczy i tracą energię. Ale jeśli stworzysz dla nich prosty tunel, jak niemiecka autostrada, mogą podróżować szybko i swobodnie bez oporu
W materiałach wysokotemperaturowych ta „elektronowa autostrada” jest szczególnie dobrze chroniona przez specyficzną strukturę atomową. Badacze porównują to do mostu pontonowego unoszącego się na wzburzonych falach – taki układ pozwala utrzymać nadprzewodnictwo w warunkach, które tradycyjna teoria uznaje za niemożliwe.
Zaskakujące wyniki dla znanych metali
Nowa metoda już przyniosła pierwsze zaskakujące rezultaty. Oprócz poprawnego przewidzenia właściwości znanych nadprzewodników, model wskazał na możliwość występowania nadprzewodnictwa w miedzi, srebrze i złocie – metalach, które dotychczas nie były kojarzone z tym zjawiskiem, przynajmniej w ultraniskich temperaturach. Zespół planuje teraz przetestować swoją metodę na bazie zawierającej pięć milionów różnych materiałów. Celem jest identyfikacja kandydatów do dalszych badań laboratoryjnych, którzy mogliby działać w temperaturach zbliżonych do pokojowych. W środowisku naukowym nie brakuje głosów sceptycyzmu. Michael K. Nowlin zwraca uwagę na fundamentalne ograniczenia zastosowanego podejścia:
DFT nie jest naturalnie zaprojektowane do modelowania nadprzewodnictwa, ponieważ standardowe sformułowania nie obejmują jawnych interakcji par Coopera ani pól parowania wielu ciał
Czytaj też: Miedź i tantal stworzyły coś niemożliwego. Przez pomyłkę odkryli materiał, który łamie zasady fizyki
Krytyk podkreśla, że połączenie zmian gęstości z DFT z sygnaturami parowania elektronów stanowi istotny skok koncepcyjny, który wymaga solidnego potwierdzenia eksperymentalnego. Szczególnie kontrowersyjne wydają się przewidywania dotyczące nadprzewodnictwa w metalach szlachetnych. Mimo zastrzeżeń, przyznaje, że opracowana metoda może stanowić istotny krok w rozwoju metod przewidywania właściwości nadprzewodzących. Badania, sfinansowane przez Departament Energii USA wciąż znajdują się we wczesnej fazie, lecz nowe podejście teoretyczne wydaje się obiecującym narzędziem, które może przyspieszyć poszukiwania materiałów zdolnych do przenoszenia prądu bez strat w warunkach zbliżonych do codziennych. Gdyby takie materiały udało się opracować, mogłyby zrewolucjonizować nie tylko energetykę, ale także elektronikę i transport.