Учёные из штата Пенсильвания нашли новый способ идентификации типов материалов, известных как сверхпроводники, которые позволяют энергии передаваться без сопротивления, а значит, без потерь.
Препятствие и прорыв
Проблема в том, что использование таких материалов ограничено из-за необходимости экстремально низких температур. Однако команда из штата Пенсильвания разработала новый подход к предсказанию, какие материалы могут вести себя как сверхпроводники, что приближает нас к открытию новых высокотемпературных сверхпроводников.
Профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания Цзы-Куй Лю является ведущим автором исследования, опубликованного в журнале Superconductor Science and Technology. Он объясняет, что цель всегда была в повышении температуры, при которой сохраняется сверхпроводимость.
Теория Бардина — Купера — Шриффера (БКШ) и DFT
В течение десятилетий учёные обычно придерживались теории БКШ, объясняющей работу обычных сверхпроводников, работающих при очень низких температурах. Однако эта теория применима только к низкотемпературным сверхпроводникам.
Команда Лю нашла способ соединить теорию БКШ с предсказаниями DFT (теория функционала плотности), которые помогают понять, как электроны ведут себя в нормальных проводниках и в сверхпроводниках.
Zentropy theory
Ключём к открытию является концепция, тесно связанная с так называемой zentropy theory. Эта теория объединяет идеи из статистической механики, квантовой физики и современного компьютерного моделирования. Она помогает объяснить, как электронные структуры материала влияют на его свойства при изменении температуры, что, в свою очередь, влияет на переход от сверхпроводника к несверхпроводнику.
Однако zentropy theory требует понимания и предсказания сверхпроводящей конфигурации материала при нуле Кельвина — самой холодной возможной температуры, где все движения атомов и молекул прекращаются.
Команда Лю показала, что даже DFT, популярный вычислительный метод, изначально не предназначенный для изучения сверхпроводимости, может выявить важные подсказки о том, когда и как происходит это явление.
Этот подход особенно ценен, поскольку предлагает новый способ предсказания того, является ли материал сверхпроводником или нет, а zentropy theory может затем использоваться для предсказания температуры перехода от сверхпроводящего к несверхпроводящему состоянию.
Новая платформа супрамолекулярной совместной сборки
Исследователи из Колледжа дизайна и инженерии (CDE) при Национальном университете Сингапура (NUS) разработали платформу супрамолекулярной совместной сборки, которая производит хиральные мягкие материалы с сильной и стабильной полноцветной циркулярно-поляризованной люминесценцией (CPL) во всём видимом спектре, включая красный цвет, который исторически был сложной задачей.
Полученные структуры настраиваемы, масштабируемы и сохраняют свои хироптические свойства более 100 дней при комнатной температуре, выдерживая повторные термические циклы без деградации.
Профессор Линь Чжицюнь из Департамента химической и биомолекулярной инженерии в CDE, который возглавлял исследование, сказал, что хироптические свойства материалов являются одними из самых высоких из когда-либо зарегистрированных. Эти особенности делают материалы сильными кандидатами для создания устройств следующего поколения, включая 3D-дисплеи, квантовые фотонные схемы и технологии защиты от подделки.
Команда обнаружила, что материалы были почти в два раза жёстче и прочнее, чем те, в которых не было хиральной добавки. Эта дополнительная механическая долговечность полезна для интеграции устройств, например, в гибкие или носимые компоненты.
Для демонстрации практической функциональности команда включила различные ахиральные люминесцентные красители (красный, зелёный, синий) в каркас сособранного полимера. Красители были закреплены посредством водородных связей и приняли хиральность своего окружения во время совместной сборки, что привело к CPL во всех трёх цветах.
Примечательно, что эта возможность полноцветной CPL встречается редко, а излучение красного цвета особенно труднодостижимо. В этой системе полимерная матрица обеспечивала перенос хиральности и пассивировала молекулы красителя, что приводило к более яркому и долгому свету с более высокими квантовыми выходами по сравнению с теми же красителями, используемыми отдельно.
Исследователи из NUS разработали масштабируемую и универсальную платформу для синтеза CPL-активных материалов, которые сочетают в себе высокую хироптическую активность, долгосрочную стабильность, механическую прочность и возможность настройки цвета.
Исследователи из NUS в настоящее время изучают более сложные хиральные совместные сборки, настраивая геометрию нелинейных блок-сополимеров, таких как дендритные и бутылочные архитектуры, и интегрируя новые функциональные возможности, включая проводимость, термо- и светочувствительность, магнито-хироптические эффекты и CPL-активное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне.