Высокотемпературная сверхпроводимость «с нуля»: новый метод моделирования может изменить мир сверхпроводимости

Ученым впервые удалось смоделировать механизм высокотемпературной сверхпроводимости в купратах с помощью вычислений «с первого принципа» (ab initio). Компьютерная модель, не использующая упрощений, воспроизвела ключевые экспериментальные данные и выявила точные квантовые процессы, управляющие этим явлением. Это открывает путь к целенаправленному поиску материалов, работающих при комнатной температуре.

Секрет купратов: от изолятора к проводнику без потерь

Купраты — соединения меди и кислорода — долгое время оставались загадкой. В обычном состоянии они являются антиферромагнитными изоляторами, но при добавлении примесей превращаются в сверхпроводники. Классические теории не могли объяснить этот переход. Группа исследователей из нескольких университетов применила метод ab initio, создав программу, которая рассчитывает поведение электронов в кристаллической решетке купрата, опираясь исключительно на законы квантовой механики и расположение атомов.

Проверка моделью: давление и слоистость

Ключевой проверкой для модели стали два известных экспериментальных факта: зависимость критической температуры сверхпроводимости от внешнего давления и от количества слоев медь-кислородных плоскостей в структуре материала. Компьютерная симуляция точно предсказала, как меняется температура перехода в сверхпроводящее состояние при сжатии кристалла и как на нее влияет число слоев. Совпадение с реальными данными подтвердило корректность выбранного подхода.

Квантовый тандем: спины и заряды

Моделирование позволило заглянуть внутрь процесса. Выяснилось, что ключевую роль играют квантовые флуктуации — хаотичные изменения свойств электронов. Спиновые флуктуации (изменения магнитных моментов атомов меди) отвечают за формирование куперовских пар — носителей сверхпроводящего тока. Зарядовые флуктуации (перераспределение электронной плотности между медью и кислородом) создают для этого процесса оптимальные условия. Эти два механизма работают в тандеме, обеспечивая переход материала в сверхпроводящее состояние. Созданная модель позволила выделить два простых параметра, определяющих потенциал купрата как сверхпроводника: силу магнитного взаимодействия между атомами меди и степень гибридизации (обобществления) электронов между медью и кислородом. Эти характеристики могут стать основой для поиска и синтеза новых материалов. Ранее считалось, что полное теоретическое описание высокотемпературной сверхпроводимости невозможно без привлечения эмпирических допущений. Нынешняя работа доказывает обратное: строгие расчеты на основе фундаментальной физики способны не только объяснить, но и предсказать свойства сложных квантовых систем. Если удастся масштабировать этот подход, человечество получит инструмент для создания материалов, работающих при температурах, достижимых без сложного криогенного охлаждения. Это, в свою очередь, обещает революцию в энергетике (передача энергии без потерь), электронике (сверхмощные и компактные чипы) и транспорте (магнитная левитация).