當電力通過電線傳輸時，一些能量會沿途損失。然而，這種損失可能並非不可避免。賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發了一種識別超導體材料的新方法。它是一種可以以零電阻傳輸電流的物質。這意味著傳輸過程中沒有能量損失。
冷超導體的挑戰
儘管有希望，但大多數超導材料尚不能用於日常技術。其獨特的導電能力僅在非常低的溫度下才會出現。這比電力系統或先進電子設備的實際溫度低得多。賓夕法尼亞州立大學團隊得到了該項目的支持。美國能源部 (DOE) 的“凝聚態理論”創建了一種新的計算方法來預測哪些材料可能表現出超導性，這可能為尋找在更高溫度甚至接近室溫下工作的材料鋪平道路。
以新的視角審視一個永恆的謎團
超導性的預測對於可以在更高溫度下工作的材料尤其如此。這仍然是一個尚未解決的挑戰。賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程教授劉子奎解釋說，長期以來，現有理論一直被認為只適用於低溫超導體。
該雜誌發表的這項新研究的主要作者劉說：“目標是提高超導仍然存在的溫度。” 超導科學與技術– “但首先我們需要了解超導性是如何產生的。這就是我們工作的切入點。”
經典理論如何解釋超導性？
幾十年來，科學家一直依賴理論。 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理論用於解釋傳統超導體如何在極低的溫度下工作。根據這一理論，電子由於與稱為聲子的原子晶格中的振動相互作用而無阻力地移動。這些反應導致電子配對形成所謂的庫珀對。它在材料中同步移動，避免原子碰撞。並防止能量以熱量的形式損失
“想像一條電子高速公路，”劉解釋道。電子與物體碰撞並失去能量。但是如果你為他們建造一條筆直的隧道，就像德國的高速公路一樣呢？他們可以快速、自由地旅行，沒有阻力。 ”
毫無抵抗力地追求權力
劉說，如果科學家能夠開發出在更高溫度下保持超導性的材料，那麼無電阻傳輸能量的能力使超導體如此有前途。電力可以傳輸得更遠、更快、更有效。改變了全球能源系統 為了理解這一現象，美國能源部資助的項目使用了一種稱為密度泛函理論 (DFT) 的計算工具。與超導體相比，DFT 有助於模擬普通導體中電子的行為。該團隊假設，雖然 DFT 沒有直接模擬庫珀對，但預測的電子密度很可能與其對應物的密度相似。這使得研究人員能夠研究潛在超導體的行為。
直到最近，BCS 和 DFT 理論是唯一描述電子配對的理論。另一種理論是基於量子力學的。分開處理後，劉的團隊找到了一種連接這些框架的方法。這為預測超導性提供了一條新途徑。
介紹中心理論
這一發展集中在稱為“中心理論”的概念上。這種方法結合了統計力學的原理。 Zentropy 理論研究多種類型粒子的整體行為，結合量子物理學和現代計算機建模，將材料的電子結構與材料特性隨溫度的變化聯繫起來。它揭示了它何時從超導狀態轉變為非超導狀態。為了應用這一理論，科學家必須了解材料在絕對零時的行為方式。 （零開爾文）這是可能的最冷溫度。在所有原子運動停止的地方，劉的團隊表明，即使是密度泛函理論，雖然不是為了研究超導體，但前者也能夠提供關於超導何時以及如何形成的重要見解。
預測下一代超導體
劉說，新方法使科學家能夠預測材料是否會變得超導。因此，熵理論可以估計材料失去其性能的臨界溫度。經典 BCS 理論成功地描述了只能在非常低的溫度下運行的超導體。但它不適用於高溫超導體。這對於庫珀來說更容易分離。通過DFT建模，劉的研究小組發現，在高溫超導體中，電子“高速公路”由於其獨特的原子結構而保持穩定。它類似於被波浪彎曲的浮橋。即使熱衝擊增加，這也使得電子能夠平穩移動。
通過使用這種組合方法，該團隊能夠成功預測超導體在普通和高溫材料中的行為。包括傳統理論無法解釋的行為。他們還預測了銅、銀和金這些不被認為是超導體的金屬的超導潛力。這可能是因為這種現象的發生需要非常低的溫度。這一發現可能會加速新材料的發現，這些新材料可以在更高的溫度下用作超導體，並且更實用。
尋找實用超導體的下一步
賓夕法尼亞州立大學的研究人員現在計劃以兩種方式擴展他們的工作。首先，他們將使用熵理論來預測壓力如何影響超導體失去電阻的溫度。其次，他們將搜索包含 500 萬種材料的大型數據庫，以確定可能具有超導特性的新候選材料。目標是找到最有前途的材料並與實驗研究人員合作測試這些材料。
“我們不僅僅是在解釋已知的事情，”劉說，“我們正在創建一個發現新事物的框架。如果成功，這種方法可能會導致發現在真實環境中工作的高溫超導體。即使在室溫下，這種進步（如果有的話）也可能對現代能源技術和系統產生重大影響。”
賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程研究教授尚順利是這項研究的共同研究員。
美國能源部支持這項研究。
