Новый, чрезвычайно устойчивый сверхпроводниковый материал обнаружен исследователями из Европы и США. Немаловажным является тот факт, что сверхпроводимость тетраборида железа была предсказана на основе усовершенствованных расчетов электронной структуры за многие годы до практического синтеза этого материала. Исследователи надеются, что новая работа может стать отправной точкой для предсказания новых суперпроводников с помощью вычислительных алгоритмов.

Применение компьютерных моделей для разработки функциональных материалов значительно продвинулось, устраняя, таким образом, необходимость в синтезах многочисленных соединений с целью найти одно соединение с требуемыми свойствами.

Однако теоретическое предсказание сверхпроводимости остается чрезвычайно трудным. Это происходит потому, что электроны образуют куперовские пары, которые ответственны за сверхпроводимость, только при чрезвычайно низких значениях энергии, и расчеты электронной структуры нуждаются в очень высокой точности для определения того, будет или нет охлаждение особых материалов до до температуры, близкой к абсолютному нулю понижать их энергию в достаточной степени.

Несмотря на сложности в решении задач, относящихся к этой области, существуют и определенные достижения. Так, в 1984 году Кээ Джоо Чан (Kee Joo Chang) и Марвин Коэн (Marvin Cohen) из Калифорнийского университета в Беркли, США, применили функциональную теорию плотности, чтобы точно предсказать при каком давлении и температуре кремний сможет обладать сверхпроводимостью [2]. С увеличением мощности компьютерной техники и разработкой алгоритмов для моделирования электронных структур появились возможности для более смелых прогнозов.

В 2010 и 2011 годах Алексей Колмогоров (Aleksey Kolmogorov) с коллегами из Оксфордского университета в Великобритании и немецкими коллегами из Рурского университета в Бохуме, Германия, предсказал, что при очень высоком давлении железо и бор будут образовывать ранее неописанное соединение FeB₄ и, что при охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю, это соединение будет проявлять сверхпроводимость.

Колмогоров, в настоящий момент работающий в Бингемтонском университете в США, сотрудничает с европейскими экспериментаторами, чтобы доказать свои прогнозы.

Когда исследователи из группы Колмогорова сжали железо и бор, создав давление в 8–18 ГПа и повысили температуру до 1500–2000К, образовались кристаллы FeB₄ в сеси с двумя другими ранее неизвестными боридами железа. После отделения вручную крошечных кусочков FeB₄ от других боридов, они обнаружили, что FeB₄ становится сильно диамагнитным при температуре ниже 3К, что является явным сигналом того, что материал обладает сверхпроводимостью.

Исследователи также обнаружили, что соединение имеет неожиданно высокую твердость и высокое сопротивление сжатию – когда проводили сжатие вдоль одной кристаллографической оси, соединение проявляло такую же прочность, как алмаз.

Исследователи предположили, что сочетание прочности и сверхпроводимости может оказаться полезным для применения в сверхпроводящих наноэлектромеханических системах. Однако, сотрудник исследовательской группы Наталия Дубровинская (Natalia Dubrovinskaia) из Байройтского университета в Германии подчеркивает, что

главным результатом работы является не возможные области применения этого нового материала, который сначала был предсказан теоретически, а изменение представлений относительно возможности разработки сверхпроводников «с чистого листа».

Игорь Мазин (Igor Mazin), эксперт по сверхпроводимости из Военно-морской научно-исследовательской лаборатории США в Вашингтоне, соглашается, что самым значительным результатом проделанной работы является точное предсказание сверхпроводимости еще не полученного на практике соединения. Однако Мазин обращает внимание на то, что

никто не знает, как работают наиболее интересные высокотемпературные сверхпроводники и говорить о применении теории путем вычислений пока, возможно, не имеет смысла поскольку не существует достаточно релевантной теории.

Источники:

[1] Phys. Rev. Lett., 2013, 111, 157002 (DOI: 10.1103/physrevlett.111.157002);

[2] Phys. Rev. B, 1984, 30, 5376 (DOI: 10.1103/physrevb.30.5376).