L'électricité traverse les fils pour fournir de l'énergie, mais il perd de l'énergie à mesure qu'il se déplace, offrant moins qu'il n'a commencé avec. Mais cette perte d'énergie n'est pas donnée. Les scientifiques de Penn State ont trouvé une nouvelle façon d'identifier les types de matériaux appelés supraconducteurs qui permettent au pouvoir de voyager sans aucune résistance, ce qui signifie qu'aucune énergie n'est perdue.
La capture est que ces matériaux supraconducteurs sont limités dans la façon dont ils peuvent être utilisés dans la vie quotidienne, en particulier parce que la supraconductivité nécessite des températures extrêmes trop faibles pour des choses comme l'énergie de nouvelle génération ou les appareils électroniques avancés. Maintenant, une équipe de Penn State a développé une nouvelle approche pour prédire quels matériaux pourraient se comporter comme des supraconducteurs, ce qui nous rapproche potentiellement de la découverte de nouveaux supraconducteurs à des températures plus élevées.
La prédiction théorique des supraconducteurs, en particulier celles à haute température, reste insaisissable car on pense que la théorie de la supraconductivité existante ne s'applique qu'aux supraconducteurs à basse température, a expliqué Zi-Kui Liu, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State.
« L'objectif a toujours été d'augmenter la température à laquelle la supraconductivité persiste », a déclaré Liu, qui est l'auteur principal d'une nouvelle étude publiée dans Science et technologie des superconducteurs. « Mais d'abord, nous devons comprendre exactement comment la supraconductivité se produit, et c'est là que notre travail entre en jeu. »
Pendant des décennies, les scientifiques sont généralement abonnés à la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), expliquant comment les supraconducteurs conventionnels, qui fonctionnent à très basses températures, fonctionnent. La théorie du BCS indique que la capacité de conduite de l'électricité sans aucune résistance repose sur les interactions électron-phonon permettant aux électrons de se jumeler – appelés paires de Cooper – et se déplaçant dans le matériau d'une manière coordonnée qui évite les collisions avec les atomes, ce qui signifie qu'ils ne perdent pas d'énergie comme chaleur.
« Imaginez une surhigne juste pour les électrons », a expliqué Liu. « S'il y a trop de voies, les électrons se heurtent aux choses et perdent de l'énergie. Mais si vous créez un tunnel droit pour eux, comme l'autoroute en Allemagne, ils peuvent voyager rapidement et librement sans résistance. »
Ce débit d'électrons sans résistance est ce qui rend les supraconducteurs si attrayants pour les applications du monde réel, a déclaré Liu. Sans résistance, les électrons peuvent s'écouler davantage avec plus d'énergie – ce qui signifie que si les scientifiques peuvent découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs à des températures plus élevées, cela pourrait entraîner des sources d'énergie durables, transformant la façon dont nous transmettons et utilisons l'électricité.
Le projet vise à comprendre la supraconductivité à l'aide d'outils théoriques appelés théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour différencier le comportement des électrons dans les conducteurs normaux par rapport aux supraconducteurs. L'hypothèse est que même si le DFT ne traite pas explicitement la formation de paires de Cooper, la densité électronique prédite par DFT devrait ressembler à celle due à des paires de Cooper, afin que les chercheurs puissent modéliser comment les particules subatomiques peuvent se comporter dans un matériau supraconducteur potentiel.
Jusqu'à présent, la théorie BCS basée sur la formation de paires Cooper et les prédictions DFT basées sur la mécanique quantique est restée séparée. L'équipe de Liu a trouvé un moyen de les connecter.
La clé de la découverte, selon les chercheurs, est un concept étroitement lié à ce qu'on appelle la théorie de la zentropie. La théorie de la zentropie combine des idées de la mécanique statistique, qui est l'étude de la façon dont les grands groupes de particules se comportent, avec la physique quantique et la modélisation informatique moderne. La théorie de la zentropie aide à expliquer comment les structures électroniques d'un matériau affectent ses propriétés à mesure que la température change, ce qui à son tour affecte lorsqu'il passe d'un supraconducteur à un non-superconducteur.
Cependant, la théorie de la zentropie nécessite une compréhension et une prédiction de la configuration supraconductrice d'un matériau à zéro Kelvin – la température la plus froide possible, également appelée zéro absolu, où tout mouvement d'atomes et de molécules s'arrête. L'équipe de Liu a montré que même DFT, une méthode de calcul populaire non conçue à l'origine pour étudier la supraconductivité, peut révéler des indices importants sur le moment et la façon dont ce phénomène se produit.
Cette approche est particulièrement précieuse car elle offre une nouvelle approche pour prédire si un matériau est un supraconducteur ou non, et la théorie de la zentropie peut ensuite être utilisée pour prédire la température de transition du supraconducteur à la non-subconductrice, a déclaré Liu.
La théorie du BCS ne fonctionne bien que pour les supraconducteurs avec des températures de transition très faibles, car les paires de Cooper sont facilement détruites à des températures élevées, et actuellement il n'y a pas de théorie pour les supraconducteurs à haute température. Grâce aux prédictions DFT, l'équipe de Liu a constaté que la surhigle électronique sans résistance dans un supraconducteur à haute température est protégée par une structure atomique unique ressemblant à un pont de ponton dans l'eau rugueuse, de sorte que la surhigne peut être maintenue à des températures plus élevées prévues par la théorie du BCS.
L'équipe a utilisé cette méthode pour prédire avec succès des signes de supraconductivité dans des matériaux, y compris les supraconducteurs conventionnels, explicables par la théorie du BCS et un supraconducteur à haute température qui est considéré comme inexplicable par la théorie du BCS. L'équipe a en outre prédit la supraconductivité du cuivre, de l'argent et de l'or, qui ne sont généralement pas considérées comme des supraconducteurs, probablement en raison de leurs températures ultra-bas. Cette nouvelle capacité pourrait aider à découvrir des matériaux nouveaux et supraconducteurs à des températures plus élevées, selon Liu.
Les prochaines étapes des chercheurs sont deux fois: l'une consiste à appliquer cette nouvelle méthode pour prédire la température de transition du supraconducteur à la non-superscat en fonction de la pression en utilisant la théorie de la zentropie dans les supraconducteurs existants à haute température, et l'autre consiste à rechercher de nouveaux superconducteurs avec des températures de transition plus élevées.
L'équipe souhaite identifier les candidats potentiels aux bonnes propriétés de supraconductivité et travailler avec des scientifiques expérimentaux pour tester les plus prometteurs.
« Nous n'expliquons pas seulement ce qui est déjà connu », a déclaré Liu. « Nous construisons un cadre pour découvrir quelque chose de complètement nouveau. En cas de succès, l'approche pourrait conduire à la découverte de supraconducteurs à haute température qui fonctionnent dans des milieux pratiques, potentiellement même à température ambiante si elles existent. Ce type de percée pourrait avoir un impact énorme sur la technologie moderne et les systèmes d'énergie. »
Shun-Li Shang, professeur de recherche de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State, est co-investigateur de cette étude.
