宾夕法尼亚州立大学的科学家们公布了一种基于新理论的方法来预测超导体，这为探寻能够完美导电的材料提供了一条可能的路径。
电流经导线传输以输送电力，但总有一部分能量会在此过程中损耗。然而，这种能量损耗并非不可避免。宾夕法尼亚州立大学的研究人员发现了一种新方法，可识别出名为“超导体”的材料，这类材料能以零电阻传输电流，使能量传输毫无损耗。
挑战在于，超导体因仅在极低温条件下才能发挥作用，故难以应用于大多数现实场景。这样的条件使得它们在下一代能源系统或先进电子技术等领域的应用显得不切实际。在美国能源部（DOE）基础能源科学司“凝聚态物质理论”项目的支持下，宾夕法尼亚州立大学的研究团队开创了一种新的预测方法，该方法有望助力科学家发现能在更高温度下工作的超导体。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学教授刘梓奎（Zi-Kui Liu，音译）表示，预测哪些材料将成为超导体（尤其是那些能在更高温度下运行的超导体）仍是一项重大科学挑战。他解释道，大多数研究人员仍认为，现有的超导理论仅适用于在极低温度下运行的材料。
“我们的目标始终是提升超导现象得以持续存在的温度阈值，”在《超导科学与技术》期刊上发表新研究的论文第一作者刘教授说道，“但首先，我们必须精准洞悉超导现象的发生机制，而这正是我们研究的切入点所在。”
BCS理论及电子配对的强大作用
数十年来，科学家们通常都认同巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论，该理论阐释了如何在极低温条件下实现常规超导现象。BCS理论指出，电流能够毫无阻力地传导，这依赖于电子-声子相互作用促使电子两两配对——即库珀对——并以协调一致的方式在材料中移动，从而避免与原子发生碰撞，这意味着它们不会以热能的形式损失能量。
“设想一下，有一条专为电子打造的高速公路，”刘解释道，“若路线过多，电子便会四处碰撞，损耗能量。但若为它们开辟一条笔直的隧道，就如同德国的自动车道一般，它们便能毫无阻碍地畅行无阻。”
刘教授表示，这种无阻电子流正是超导体在现实应用中极具吸引力的原因所在。无电阻状态下，电子能携带更多能量，流动更远距离——这意味着，若科学家能在更高温度下发现新型超导材料，或将催生持久电力能源，彻底变革电力传输与利用方式。美国能源部项目旨在运用密度泛函理论（DFT）这一理论工具，解析超导体与普通导体中电子行为的差异。其核心假设在于：尽管DFT未直接涉及库珀对形成机制，但通过该理论预测的电子密度分布应与库珀对所致的分布相似，由此研究人员可模拟潜在超导材料中亚原子粒子的行为模式。
迄今为止，基于库珀对形成的巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论，与基于量子力学的密度泛函理论（DFT）预测，一直相互独立。刘的团队找到了将二者联系起来的方法。
研究人员称，这一发现的关键在于一个与“熵变理论”（zentropy theory）紧密相关的概念。熵变理论融合了统计力学（研究大量粒子行为规律的学科）、量子物理以及现代计算机建模的思想。该理论有助于解释物质的电子结构如何随温度变化而影响其特性，进而影响物质从超导体转变为非超导体的临界点。然而，熵变理论要求理解并预测物质在绝对零度（即可能达到的最低温度，也称为绝对零度，此时原子和分子的所有运动均停止）下的超导构型。刘的团队证明，即使是原本并非为研究超导性而设计的流行计算方法——密度泛函理论（DFT），也能揭示这一现象发生的时间和方式的重要线索。
预测新型超导体
刘表示，这一方法尤其宝贵，因为它提供了一种预测材料是否为超导体的新途径，并且随后可利用熵理论预测材料从超导态转变为非超导态的临界温度。BCS理论仅适用于临界温度极低的超导体，因为库珀对在高温下极易被破坏，而目前尚无针对高温超导体的理论。
通过密度泛函理论（DFT）预测，刘的团队发现，高温超导体中无电阻电子“超级高速公路”受一种独特原子结构保护，该结构犹如汹涌波涛中的浮桥，因此，这条“超级高速公路”可在比BCS理论预测温度更高的条件下保持畅通。
研究团队运用此方法，成功预测了多种材料中的超导迹象，这些材料既涵盖可通过BCS理论阐释的常规超导体，也包含据信无法用BCS理论解释的高温超导体。此外，该团队还预测了铜、银和金等通常不被视为超导体的材料在超低温下可能展现超导性。据刘介绍，这一新能力将有助于发现更多能在更高温度下实现超导的新型材料。
研究人员的下一步工作包含两个方面：一是运用熵理论，将这一新方法应用于现有高温超导体，预测其从超导态转变为非超导态的转变温度与压力的函数关系；二是通过团队一直在构建的包含五百万种材料的综合数据库，寻找具有更高转变温度的新型超导体。团队希望筛选出具备合适超导特性的潜在候选材料，并与实验科学家合作，对最具潜力的材料进行测试。
“我们并非只是在阐释已知内容，”刘说道，“我们正在构建一个框架，以期发现全新的东西。倘若成功，这种方法或许能助力发现可在实际环境中应用的高温超导体，若此类超导体存在，甚至有可能在室温条件下应用。这种突破性进展可能会对现代科技和能源系统产生巨大影响。”
参考文献：《利用密度泛函理论揭示对称性破缺的超导构型》，作者：刘子奎、尚顺利，发表于2025年7月18日《超导科技》期刊。 DOI：10.1088/1361-6668/adedbc
美国能源部为这项研究提供了支持。
