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.
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.
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!
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.
