Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Πενσυλβάνια (Penn State) παρουσίασαν μια νέα μέθοδο για την πρόβλεψη υπεραγωγών, ανοίγοντας ενδεχομένως τον δρόμο για υλικά που θα μπορούσαν να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα τέλεια.
Ο ηλεκτρισμός ταξιδεύει μέσα από καλώδια για να παρέχει ενέργεια, αλλά ένα μέρος αυτής της ενέργειας πάντα χάνεται κατά τη μεταφορά. Ωστόσο, αυτή η απώλεια ενέργειας δεν είναι αναπόφευκτη. Οι επιστήμονες του Penn State ανακάλυψαν μια νέα μέθοδο για τον εντοπισμό υλικών που ονομάζονται υπεραγωγοί, τα οποία μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση, επιτρέποντας στην ενέργεια να κινείται χωρίς καμία απώλεια.
Η πρόκληση είναι πως, οι υπεραγωγοί είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν στις περισσότερες εφαρμογές στην πραγματική ζωή, καθώς λειτουργούν μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Οι συνθήκες αυτές δεν τους κάνουν πρακτικούς για τεχνολογίες όπως είναι τα συστήματα ενέργειας επόμενης γενιάς ή προηγμένα ηλεκτρονικά συστήματα.
Μέσω του προγράμματος “Θεωρία Συμπυκνωμένης Ύλης” του τμήματος Επιστημών Βασικής Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), η ομάδα του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια δημιούργησε μια νέα προγνωστική προσέγγιση που θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να ανακαλύψουν υπεραγωγούς ικανούς να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Σύμφωνα με τον Zi-Kui Liu, καθηγητή επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Penn State, η πρόβλεψη των υλικών που θα γίνουν υπεραγωγοί -ειδικά εκείνων που λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες – παραμένει μια μεγάλη επιστημονική πρόκληση. Εξήγησε ότι οι περισσότεροι ερευνητές εξακολουθούν να πιστεύουν ότι οι υπάρχουσες θεωρίες της υπεραγωγιμότητας ισχύουν μόνο για υλικά που λειτουργούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.
«Στόχος ήταν ανέκαθεν να ανεβεί η θερμοκρασία στην οποία διατηρείται η υπεραγωγιμότητα», δήλωσε ο Liu, ο οποίος είναι ο επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Superconductor Science and Technology. «Αλλά πρώτα, πρέπει να καταλάβουμε ακριβώς πώς συμβαίνει η υπεραγωγιμότητα, και εκεί έρχεται να συμβάλλει το έργο μας».
Η θεωρία BCS και τα ζεύγη Κούπερ
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες συνήθως στηρίζονταν στη θεωρία Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) για να εξηγήσουν πώς λειτουργούν οι συμβατικοί υπεραγωγοί, σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Η θεωρία BCS υποστηρίζει ότι η ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει ηλεκτρισμό χωρίς καμία αντίσταση βασίζεται στις αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-φωνονίων, οι οποίες επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να σχηματίζουν ζεύγη – τα λεγόμενα ζεύγη Cooper – και να κινούνται μέσα στο υλικό με συντονισμένο τρόπο, αποφεύγοντας συγκρούσεις με τα άτομα, γεγονός που σημαίνει ότι δεν χάνουν ενέργεια ως θερμότητα.
«Φανταστείτε έναν αυτοκινητόδρομο αποκλειστικά για ηλεκτρόνια», εξήγησε ο Liu. «Αν υπάρχουν πολλές διαδρομές, τα ηλεκτρόνια συγκρούονται και χάνουν ενέργεια. Αλλά αν δημιουργήσεις ένα τούνελ με μία μεγάλη ευθεία για αυτά, σαν την Autobahn στη Γερμανία, μπορούν να ταξιδεύουν γρήγορα και ελεύθερα χωρίς αντίσταση.» Αυτή η ροή ηλεκτρονίων χωρίς αντίσταση είναι που καθιστά τους υπεραγωγούς τόσο ελκυστικούς για πρακτικές εφαρμογές, σύμφωνα με τον Liu.
Χωρίς αντίσταση, τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται περισσότερο και με μεγαλύτερη ενέργεια, κάτι που σημαίνει ότι, αν οι επιστήμονες ανακαλύψουν νέα υπεραγώγιμα υλικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μακροχρόνιες πηγές ενέργειας, αλλάζοντας τον τρόπο που μεταδίδουμε και χρησιμοποιούμε την ηλεκτρική ενέργεια.
Το έργο του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) στοχεύει στην κατανόηση της υπεραγωγιμότητας χρησιμοποιώντας θεωρητικά εργαλεία, γνωστά ως θεωρία συναρτησιακής πυκνότητας (DFT), για να διακρίνει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε κανονικούς αγωγούς και σε υπεραγωγούς. Σύμφωνα με την υπόθεση, παρόλο που η θεωρία συναρτησιακής πυκνότητας (DFT) δεν εξετάζει άμεσα τον σχηματισμό των ζευγών Cooper, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων που προβλέπεται από την DFT θα πρέπει να μοιάζει με αυτή που οφείλεται στα ζεύγη Cooper. Έτσι, οι ερευνητές μπορούν να μοντελοποιήσουν πώς θα μπορούσαν να συμπεριφερθούν τα υποατομικά σωματίδια σε ένα πιθανό υπεραγώγιμο υλικό.
Μέχρι τώρα, η θεωρία BCS, η οποία βασίζεται στον σχηματισμό των ζευγών Cooper, και οι προβλέψεις της DFT, που βασίζονται στην κβαντομηχανική, παρέμεναν ξεχωριστές. Η ομάδα του Liu βρήκε έναν τρόπο να τις συνδέσει.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι το κλειδί για την ανακάλυψη είναι μια έννοια που σχετίζεται στενά με τη λεγόμενη Θεωρία Ζεντροπίας (zentropy theory). Η θεωρία συνδυάζει έννοιες της στατιστικής μηχανικής, που μελετά πώς συμπεριφέρονται μεγάλες ομάδες σωματιδίων, με έννοιες της κβαντικής φυσικής και της σύγχρονης υπολογιστικής μοντελοποίησης.
Η Θεωρία Ζεντροπίας βοηθά στην εξήγηση του πώς οι ηλεκτρονικές δομές ενός υλικού επηρεάζουν τις ιδιότητές του καθώς αλλάζει η θερμοκρασία, γεγονός που με τη σειρά του καθορίζει πότε το υλικό μετατρέπεται από υπεραγωγός σε μη υπεραγωγός.
Ωστόσο, η θεωρία αυτή απαιτεί την κατανόηση και την πρόβλεψη της υπεραγώγιμης διαμόρφωσης ενός υλικού σε μηδέν Kelvin – την πιο χαμηλή δυνατή θερμοκρασία, που ονομάζεται επίσης απόλυτο μηδέν, όπου σταματά κάθε κίνηση ατόμων και μορίων. Η ομάδα του Liu έδειξε ότι ακόμα και η Θεωρία Συναρτησιακής Πυκνότητας (DFT), μια δημοφιλής υπολογιστική μέθοδος που δεν είχε σχεδιαστεί αρχικά για τη μελέτη της υπεραγωγιμότητας, μπορεί να αποκαλύψει σημαντικά στοιχεία για το πότε και πώς εμφανίζεται αυτό το φαινόμενο.
Προβλέποντας νέους υπεραγωγούς
Η προσέγγιση αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς προσφέρει έναν νέο τρόπο για να προβλεφθεί αν ένα υλικό είναι υπεραγωγός ή όχι, ενώ η θεωρία Ζεντροπίας μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της θερμοκρασίας μετάβασης από την υπεραγώγιμη στη μη-υπεραγώγιμη κατάσταση, δήλωσε ο Liu. Η θεωρία BCS λειτουργεί καλά μόνο για υπεραγωγούς με πολύ χαμηλές θερμοκρασίες μετάβασης, καθώς τα ζεύγη Cooper καταστρέφονται εύκολα σε υψηλές θερμοκρασίες, και επί του παρόντος δεν υπάρχει θεωρία για υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας.
Μέσα από τις προβλέψεις της DFT, η ομάδα του Liu διαπίστωσε ότι η «αυτοκινητόδρομος» ηλεκτρονίων χωρίς αντίσταση σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας προστατεύεται από μια μοναδική ατομική δομή που μοιάζει με πλωτή γέφυρα σε ταραγμένα νερά, επιτρέποντας στον «αυτοκινητόδρομο» να διατηρείται σε υψηλότερες θερμοκρασίες από αυτές που προβλέπει η θεωρία BCS. Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για να προβλέψει με επιτυχία ενδείξεις υπεραγωγιμότητας σε υλικά, συμπεριλαμβανομένων τόσο των συμβατικών υπεραγωγών που εξηγούνται από τη θεωρία BCS, όσο και ενός υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας, ο οποίος θεωρείται ότι δεν μπορεί να εξηγηθεί από τη θεωρία BCS.
Η ομάδα προέβλεψε ακόμη την υπεραγωγιμότητα στον χαλκό, το ασήμι και τον χρυσό, μέταλλα τα οποία γενικά, δεν θεωρούνται υπεραγωγοί, ενδεχομένως λόγω των εξαιρετικά χαμηλών τους θερμοκρασιών. Η νέα δυνατότητα μπορεί να οδηγήσει στην αποκάλυψη νέων και υπεραγώγιμων υλικών σε υψηλότερες θερμοκρασίες, σύμφωνα με τον Liu.
Τα επόμενα βήματα των ερευνητών, χωρίζονται σε δύο στάδια:
- Το πρώτο, περιλαμβάνει την εφαρμογή της νέας μεθόδου για την πρόβλεψη της θερμοκρασίας μετάβασης από την υπεραγώγιμη στη μη-υπεραγώγιμη κατάσταση ως συνάρτηση της πίεσης, χρησιμοποιώντας τη θεωρία ζεντροπίας σε υπάρχοντες υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας.
- Το άλλο είναι η αναζήτηση νέων υπεραγωγών με υψηλότερες θερμοκρασίες μετάβασης μέσω μιας ολοκληρωμένης βάσης δεδομένων με πέντε εκατομμύρια υλικά, την οποία δημιουργεί η ομάδα.
Στόχος είναι η ταυτοποίηση πιθανών υποψηφίων με τις κατάλληλες ιδιότητες για υπεραγωγιμότητα και η συνεργασία με επιστήμονες για τη δοκιμή των πιο υποσχόμενων από αυτούς.
«Δεν εξηγούμε απλώς όσα είναι ήδη γνωστά», είπε ο Liu. «Δημιουργούμε ένα πλαίσιο για να ανακαλύψουμε κάτι εντελώς καινούργιο. Αν πετύχει, η προσέγγιση μπορεί να οδηγήσει στην ανακάλυψη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας που αποδίδουν σε πρακτικές συνθήκες, ενδεχομένως ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, αν υπάρχουν. Η πρωτοπορία αυτή θα έχει τεράστιο αντίκτυπο για τη σύγχρονη τεχνολογία και τα συστήματα ενέργειας».
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου