當電力通過電線傳輸時，部分能量會沿途損失。然而，這種損失可能是不可避免的。賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發了一種新方法來識別超導體材料，這種材料可以以零電阻傳輸電流，這意味著在傳輸過程中不會浪費任何能量。
冷超導體的挑戰
儘管有這樣的承諾，大多數超導材料還不能用於日常技術。它們非凡的導電能力只有在非常低的溫度下才會顯現出來，遠低於電力系統或先進電子設備的實際溫度。在美國能源部 (DOE) 基礎能源科學部“凝聚態理論”計劃的支持下，賓夕法尼亞州立大學團隊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，從而為尋找在更高溫度下工作的材料鋪平了道路。
重新審視一個長期存在的謎團
預測超導性，尤其是可以在更高溫度下工作的材料的超導性，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學教授劉子奎解釋說，現有理論長期以來僅限於低溫超導體。
“我們的目標一直是提高超導持續存在的溫度，”發表在該雜誌上的一項新研究的主要作者劉說。 超導科學與技術。 “但首先，我們需要了解超導是如何發生的，這就是我們工作的切入點。”
經典理論如何解釋超導體
幾十年來，科學家們一直依靠巴丁-庫珀-施里弗（BCS）理論來描述傳統超導體如何在極低的溫度下工作。根據這一理論，電子由於與原子晶格振動（稱為聲子）的相互作用而無阻力地移動。這些相互作用使電子能夠以所謂的庫珀對的形式配對，它們在材料中同步移動，避免原子碰撞並以熱量的形式損失能量。
“想像一條只供電子使用的高速公路，”劉解釋道。 “如果路徑太多，電子就會撞到物體並失去能量。但如果你為它們創造一條筆直的隧道，就像德國高速公路一樣，它們就可以快速、自由地行駛，沒有阻力。”
尋找毫無抵抗力的力量
劉說，這種無電阻傳輸能量的能力使得超導體如此有前景。如果科學家能夠開發出在更高溫度下保持超導性的材料，電力就可以傳輸得更遠、更快、更有效，從而改變全球能源系統。為了理解這種現象，能源部資助的項目使用了稱為密度泛函理論 (DFT) 的計算工具。 DFT 有助於模擬電子在普通導體與超導體中的行為。研究小組假設，雖然 DFT 並不直接模擬庫珀對，但它預測的電子密度應該類似於不成對的電子，從而使研究人員能夠研究潛在的超導行為。
直到最近，BCS 理論和 DFT（一個描述電子配對，另一個植根於量子力學）仍然被分開對待。劉的團隊找到了一種連接這些框架的方法，創造了一種預測超導性的新方法。
介紹向心理論
這一突破基於稱為“中心論”的概念。這種方法將研究許多粒子集體行為的統計力學原理與量子物理學和現代計算模型結合起來。熵理論將材料的電子結構與其特性如何隨溫度變化聯繫起來，揭示材料何時從超導狀態轉變為非超導狀態。為了應用該理論，科學家需要了解材料在絕對零（零開爾文）（所有原子運動停止的可能最冷溫度）下的行為。劉的團隊證明，即使是 DFT（儘管最初不是為了研究超導體）也可以提供關於超導何時以及如何發生的關鍵見解。
展望下一代超導體
劉說，這種新方法可以讓科學家預測一種材料是否可以成為超導體。向心理論可以計算出材料失去這種性質的臨界溫度。經典BCS理論成功地解釋了超導體只能在非常低的溫度下工作，但在高溫下卻無法工作，因為在高溫下庫珀對更容易分裂。通過DFT建模，劉的團隊發現，高溫超導體中的電子“高速公路”由於獨特的原子結構而保持穩定——就像一座隨波彎曲的浮橋，即使在熱振動增加時，電子也能平穩移動。
利用這種組合方法，該團隊成功預測了傳統材料和高溫下的超導行為，包括傳統理論無法解釋的超導行為。他們還預測了銅、銀和金（通常不被認為是超導體的金屬）的潛在超導性，可能是因為這種效應需要非常低的溫度才能發生。這些發現可以加速發現在更高、更實用的溫度下充當超導體的新材料。
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，他們將利用向心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 萬種材料的龐大數據庫，以確定新的超導候選材料。目標是找到最有前途的材料並與實驗研究人員合作對其進行測試。
“我們不僅僅是解釋已知的事情，”劉說。 “我們正在建立一個發現全新事物的框架。如果成功，該方法可能會導致發現在實際環境中工作的高溫超導體，甚至可能在室溫下。這種進展可能會對現代技術和能源系統產生重大影響。”
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。
這項研究得到了美國能源部的支持。
