ペン・ステート大学の研究者らが、高温で超伝導性を示す可能性のある材料を特定するための新しい計算アプローチを作成し、エネルギー伝送を革新する可能性がある。方法はzentropy理論を使用して古典理論と量子力学を統合する。この画期的な進歩は、極低温を必要とする現在の超伝導体の制限を克服することを目指す。
超伝導体は、抵抗ゼロで電流を伝導する材料であり、効率的な電力システムに大きな可能性を秘めているが、極低温の条件が必要であるため制限されている。ペン・ステート大学の材料科学・工学教授Zi-Kui Liuが率いるチームは、室温近くで動作する可能性のある材料の超伝導性を予測するモデルを開発した。米国エネルギー省のBasic Energy Sciencesプログラムの支援を受け、この研究はBardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理論—低温超伝導性をフォノンを介した電子対形成で説明する—を、電子の挙動をモデル化する量子力学ベースのツールである密度汎関数理論（DFT）と橋渡しする。
革新はzentropy理論にあり、統計力学、量子物理学、計算モデリングを組み合わせ、材料の電子構造を温度依存性特性に結びつける。これにより、超伝導性が現れるか失われる臨界温度を予測できる。「超伝導性が持続する温度を上げるのが常に目標だった」とLiuは述べた。「しかしまず、超伝導性がどのように起こるかを正確に理解する必要があり、そこに私たちの仕事が入る。」
このアプローチを使って、チームは従来の低温材料と高温材料の両方で超伝導挙動を成功裏に予測し、伝統的なBCS理論で説明できないケースも含めた。また、銅、銀、金などの金属での潜在的な超伝導性を特定したが、非常に低い温度でのみである。Liuはこのプロセスを「電子専用のスーパーハイウェイを作成する」ことに例え、対をなした電子が抵抗なく旅行する様子をAutobahnに喩えた。
研究教授Shun-Li Shangとの共著のこの研究は、Superconductor Science and Technology（2025；38(7): 075021）に掲載された。次に、研究者らは超伝導性への圧力効果を探求し、500万材料のデータベースをスクリーニングして新しい候補を探す予定だ。「既知のものを説明するだけではない」とLiuは付け加えた。「全く新しいものを発見するための枠組みを構築している。」実現すれば、室温超伝導体は損失のない電力伝送を可能にし、世界のエネルギー技術を変革するだろう。