Forskare vid Penn State University har skapat en ny beräkningsmetod för att identifiera material som kan uppvisa supraledning vid högre temperaturer, vilket potentiellt kan revolutionera energitransmission. Metoden integrerar klassisk teori med kvantmekanik med hjälp av zentropy-teorin. Detta genombrott syftar till att övervinna begränsningarna hos nuvarande superledare som kräver extremt låga temperaturer.
Superledare, material som leder elektricitet med noll resistans, har enorm potential för effektiva kraftsystem men hindras av behovet av kryogena förhållanden. Ett team ledd av Zi-Kui Liu, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid Penn State, har utvecklat en modell för att förutsäga supraledning i material som kan fungera vid temperaturer nära rumstemperatur. Stöttat av U.S. Department of Energys Basic Energy Sciences-program, kopplar forskningen samman Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-teorin – som förklarar lågtemperatursupraledning genom elektronparning via fononer – med densitetsfunktionalteori (DFT), ett kvantmekanikbaserat verktyg för att modellera elektronbeteende.
Innovationen ligger i zentropy-teorin, som kombinerar statistisk mekanik, kvantfysik och beräkningsmodellering för att koppla ett materials elektronstruktur till dess temperaturberoende egenskaper. Detta möjliggör förutsägelse av den kritiska temperaturen vid vilken supraledning uppstår eller försvinner. "Målet har alltid varit att höja temperaturen vid vilken supraledning kvarstår", sa Liu. "Men först måste vi förstå exakt hur supraledning sker, och det är där vårt arbete kommer in."
Med denna metod förutsåg teamet framgångsrikt superledande beteende både i konventionella lågtemperaturmaterial och högtemperaturmaterial, inklusive fall som inte förklaras av traditionell BCS-teori. De identifierade också potentiell supraledning i metaller som koppar, silver och guld, även om det bara sker vid mycket låga temperaturer. Liu liknade processen vid att skapa en "superhighway enbart för elektroner", där parade elektroner reser utan resistans, liknande Autobahn.
Studien, som är medförfattad av forskningsprofessorn Shun-Li Shang, publicerades i Superconductor Science and Technology (2025; 38(7): 075021). Nästa steg är att utforska tryckets effekter på supraledning och screena en databas med fem miljoner material för nya kandidater. "Vi förklarar inte bara det som redan är känt", tillade Liu. "Vi bygger en ram för att upptäcka något helt nytt." Om det realiseras kan rumstemperatursuperledare transformera global energiteknik genom att möjliggöra förlustfri elöverföring.