Почти във всяка ситуация, в която се използва електричество, независимо дали става дума за осветление на спалня през нощта, поддържане на студена замразена храна или захранване на кола, която пътува до работа, част от тази електрическа енергия се губи като топлина. Това се дължи на съпротивлението. Материалите с по-ниско съпротивление са по-добри при провеждането на електричество, докато материалите с по-високо съпротивление са по-лоши в това.
Въпреки, че почти всички проводници проявяват известно съпротивление, има някои материали, които нямат никакво електрическо съпротивление. Те се наричат свръхпроводници и техните уникални свойства се използват в технологии, вариращи от магнитен резонанс (MRI) до левитиращи влакове.
Повечето свръхпроводници обаче са свръхпроводими само когато са студени – наистина студени. Дори така наречените „високотемпературни“ свръхпроводници трябва да бъдат охладени с течен азот до приблизително -200 градуса по Целзий, за да работят.
Тази нужда от интензивно охлаждане добавя голямо усложнение към използването на свръхпроводници. В продължение на десетилетия изследователите са търсили свръхпроводници, които работят при стайна температура. Понастоящем, при нормално атмосферно налягане, класът високотемпературни свръхпроводници, известни като купрати – съединения, съдържащи както медни, така и кислородни атоми – се доближава най-близо, като купратът с най-добри резултати може да прояви свръхпроводните си качества при температури от порядъка на -140 градуса по Целзий.
Тъй като -140 градуса по Целзий все още е доста студено, трябва да се извърви дълъг път, преди купратите да могат да бъдат наречени свръхпроводници със стайна температура, а по-нататъшното развитие на тези свръхпроводници е възпрепятствано от факта, че никой не е разбрал как работят купратните свръхпроводници.
Но сега изследователи са разработили теория, която обяснява някои от магнитните свойства на купратните свръхпроводници. Купратните свръхпроводящи материали показват ефект на слой, при който техните магнитни и свръхпроводящи свойства се подобряват, тъй като повече слоеве от съставните медни и кислородни атоми се събират заедно.
В статия, публикувана в списание Science, авторите обясняват как ефектът на магнитния слой възниква от флуктуациите на електроните между медните и кислородните атоми и заобикалящите ги атоми.
„Това е първа стъпка към разбирането на управляващите принципи зад ефекта на свръхпроводящия слой и какво контролира свръхпроводящата температура в свръхпроводниците по-общо“, казва Zhi-Hao, студент по химия и първи автор на изследването.
Документът е озаглавен „Систематична електронна структура в родителското състояние на купрат от квантови симулации на много тела“ и се появява в изданието на Science от 8 септември.
За повече информация: Zhi-Hao Cui et al, Systematic electronic structure in the cuprate parent state from quantum many-body simulations, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abm2295