Впервые предсказанный теоретически сверхпроводник получен экспериментально

Значение численного моделирования с использованием мощных суперкомпьютеров для современной физики сложно переоценить. Однако в каждую отдельную область физики полноценное признание численных методов приходит в разное время.

Я уже описывал историю того, как это происходило в физике взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, а также то, как численно были обнаружены многочисленные аналоги графена. А вот физике сверхпроводимости ещё только предстоит пройти аналогичный путь, но уже сделан один важный шаг.

Учёным впервые удалось в экспериментальных условиях получить материал, обладающий сверхпроводимыми свойствами и предсказанный ранее в численном моделировании. Речь идёт об экзотическом соединении, носящем название тетраборид железа FeB4.

(a) Внешний вид тетраборида железа, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа, справа видны более светлые другие фазы борида железа. (b) Тетраборид железа при большем разрешении, видна кристаллическая структура вещества. (c) Кристаллическая структуру тетраборида.
(a) Внешний вид тетраборида железа, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа, справа видны более светлые другие фазы борида железа. (b) Тетраборид железа при большем разрешении, видна кристаллическая структура вещества. © Кристаллическая структуру тетраборида.

Интересно, что экспериментаторы не только обнаружили сверхпроводимость этого вещества в точности при той температуре, которая была предсказана теоретиками — 3 кельвина, но и само вещество было открыто при помощи техники синтеза под высоким давлением только благодаря предсказаниям теории.

Магнитная восприимчивость тетераборида железа в зависимости от его температуры. Резкое падение восприимчивости соответствует переходу вещества в сверхпроводящее состояние. Две кривые соответствуют двум различным изотопам бора.
Магнитная восприимчивость тетераборида железа в зависимости от его температуры. Резкое падение восприимчивости соответствует переходу вещества в сверхпроводящее состояние. Две кривые соответствуют двум различным изотопам бора.

Одним из первых о возможности теоретического предсказания сверхпроводников заговорил Бернд Маттиас, который ещё в 1950-70-х годах интуитивно сформулировал некоторые принципы, которые должны помочь поиску новых сверхпроводящих веществ. Однако, как и эти правила, обнаружение новых сверхпроводников оставалось делом скорее интуитивным, чем подчиняющимся определённым правилам.

Проблема с вычислительной точки зрения заключается в том, что анализируя строение веществ приходится одновременно иметь дело с сильно отличающимися масштабами энергии. Так, полная энергия типичной кристаллической структуры составляет около 100 000 электрон-вольт на атом. В то же время разница между двумя фазами этого кристалла может составлять ничтожные 0,01 электрон-вольта на атом. То есть зачастую даже предсказать состояние кристаллической структуры не представляется возможным.

С сверхпроводимостью всё ещё хуже. Для её надёжного предсказания необходимо уметь рассчитывать разницу энергий меньше 0,0001 электрон-вольта, то есть программа должна соблюдать точность вычислений на уровне 1 миллиардной!

На этой картинке представлено условное соотношение между энергиями различных состояния вещества, иллюстрирующее сложность предсказания их свойств. Обратите внимание, что разница в энергии различных кристаллических структур составляет всего лишь десятые доли электрон-вольта на атом, а сверхпроводящее состояние, показанное в красной вставке, имеет ещё меньший энергетический масштаб.
На этой картинке представлено условное соотношение между энергиями различных состояния вещества, иллюстрирующее сложность предсказания их свойств. Обратите внимание, что разница в энергии различных кристаллических структур составляет всего лишь десятые доли электрон-вольта на атом, а сверхпроводящее состояние, показанное в красной вставке, имеет ещё меньший энергетический масштаб.

К счастью, развитие компьютерных технологий и специализированных численных методов позволяет достичь необходимой точности. Сверхпроводимость в тетрабориде железа была предсказана в 2010 году. В 2011 году было показано, что синтез нового вещества легче осуществляется при высоких давлениях. И вот, учёные экспериментально подтвердили оба этих предсказания.

Конечно, в этой области вычислительной физики ещё много проблем. Так, надёжные вычисления пока получаются только для очень высоких давлений. Кроме того, тетраборид железа является обычным сверхпроводником, предсказывать сверхпроводимость в более необычных случаях, как, например, в купратах, пниктидах и т. п. пока не получается.

Однако несмотря на известные оговорки, сделан очень важный шаг, и хочется верить, не за горами тот день, когда численное предсказание сверхпроводимости станет таким же надёжным, как, например, расчёт орбиты искусственного спутника Земли.


Источник: Physics — Materials Prediction Scores a Hit

comments powered by Disqus