RSS
Государство. Бизнес. Инновации

Исследования российских ученых позволят создать сверхпроводники нового поколения


Суперкомпьютер НИТУ «МИСиС» вычислил направления поиска новых состояний вещества, рассказали эксперту портала "Энергия модернизации" в пресс-службе университета.


Группа ученых НИТУ «МИСиС» теоретически обосновала результаты уникального эксперимента по сжатию металлического осмия под экстремальным давлением. Полученные результаты позволят создать сверхпроводники нового поколения и понять, как устроены звезды. Большая статья о проведенном исследовании была опубликована в одном из самых авторитетных научных журналов мира – Nature.


Научная группа лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора Игоря Абрикосова (Линчёпингский университет, Швеция) с помощью квантовомеханического моделирования, проведенного с использованием вычислительных мощностей суперкомпьютера университета, теоретически обосновала результаты уникального эксперимента по сжатию металлического осмия под экстремальным давлением в 7,7 миллионов атмосфер, проведенного учеными Байройтского университета (Германия).


Целью эксперимента немецких коллег было изучение изменений кристаллической структуры вещества под воздействием сверхвысокого давления. В качестве опытного материала был выбран металлический осмий, обладающий уникальными свойствами: наивысшей плотностью при нормальном давлении, одной из самых высоких энергий связи и температурой плавления, а также очень низкой сжимаемостью, почти как у алмаза.

В ходе эксперимента был поставлен мировой научный рекорд – экстремальное давление при статическом сжатии достигло 7,7 миллионов атмосфер. Предыдущее максимально достижимое давление составляло около 4 миллиона атмосфер (400 ГПа).


В проекте было задействовано самое современное научное оборудование: установка для создания сверхвысоких давлений, разработанной в Байройтском университете (Германия), синхротроны APS (США), ESRF (Франция), и PETRA III (Германия), а также суперкомпьютеры из Швеции и Франции.


Рекордное значение давления было достигнуто за счёт применение микро-полусфер из наноалмаза, которые являются дополнительной ступенью по сравнению с традиционной методикой алмазных наковален (фото). Это усовершенствование позволяет существенно расширить диапазон давлений в экспериментах по статическому сжатию и достигнуть давления выше 750 ГПа (вдвое выше давления в центре Земли).


В результате проведенного исследования была выявлена беспрецедентная структурная стабильность осмия – при огромных давлениях около 770 ГПа он обладает такой же структурой, что и при атмосферном давлении. В то же время, очень точные измерения методом рентгеновской дифракции показали, что в поведении параметра решётки под давлением проявляются особенности, не описанные в теории.


Теоретическое обоснование и описание этих особенностей и стало целью исследования научной группы НИТУ «МИСиС». С помощью современных квантовомеханических расчётов ученые доказали, что при сверхвысоком давлении в осмии начинается взаимодействие между внутренними электронами, тогда как обычно свойства материалов под давлением меняются из-за изменения валентных (внешних) электронов.

Можно с уверенностью утверждать, что возможность влиять на внутренние электроны даже в таком несжимаемом металле, как осмий, с использованием статического давления открывает многообещающие перспективы поиска новых состояний вещества.


«Для теоретического моделирования результатов этого эксперимента был использован суперкомпьютер лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», который входит в топ-50 суперкомпьютеров стран СНГ. Пиковая производительность кластера составляет 33 терафлопс или 33 триллиона операций в секунду,что обеспечивает значительное ускорение обработки информации, а соответственно ускорение разработки и вывода на рынок новых материалов с заданными свойствами», - пояснила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.


Исследования поведения различных материалов при экстремальных сжатиях очень важны как для фундаментальной физики, так и для промышленности. Понимание физики и химии веществ под высоким давлением помогает моделировать процессы, происходящие внутри гигантских планет и звезд, а также синтезировать материалы, применяющиеся в экстремальных условиях.


Как отметил руководитель научной группы НИТУ «МИСиС» Игорь Абрикосов, «в данной работе мы продемонстрировали, что можно достигать невообразимо высоких давлений и при этом полностью контролировать состояние исследуемого материала, улавливая в эксперименте малейшие его изменения. Мы показали возможности современной теории при помощи компьютерного моделирования разгадывать сложнейшие загадки, которые возникают в подобных уникальных экспериментах. Разработанные экспериментальные и теоретические методики, использованные в данной работе, будут использованы нами в новых исследованиях. Они выведут нас на качественно новое понимание поведения материалов и позволят реализовать важнейшую задачу – перейти от традиционного метода проб и ошибок к научно-обоснованной разработке новых материалов, сократив сроки этих разработок с сегодняшних 10-12 лет до 5-6 лет в ближайшем будущем, а в перспективе – еще больше».


Ссылка на публикацию в
Nature: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14681.html


Справка

Игорь Абрикосов – научный руководитель лаборатории НИТУ «МИСиС» «Моделирование и разработка новых материалов», заведующий отделом теории и моделирования Института физики, химии и биологии Университета Линчёпинга, Швеция. Возглавляет рабочую группу крупнейшего в Европе научного сообщества Psi-k. При участии Игоря Абрикосова в НИТУ «МИСиС» ведутся перспективные исследования в области моделирования материалов.

Победитель конкурса мега-грантов Правительства РФ на 2014-2016 год, объем финансирования – 90 млн руб. В рамках созданной на средства гранта лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» в университете был открыт супер-компьютерный кластер, который входит в топ-50 супер-компьютеров СНГ. Цель работы кластера – ускорение разработки и вывода на рынок новых материалов с заданными свойствами. В конце 2014 года число вычислительных узлов кластера было увеличено с 64 до 100, что позволило увеличить пиковую производительность кластера с 21 до 33 терафлопс. В перспективе университет надеется достигнуть мощности в 300 терафлопс.


НИТУ «МИСиС»

НИТУ «МИСиС» – это один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ «МИСиС» также представляет собой полноценный научный центр. По итогам 2014 года он вошел в сотню лучших университетов стран БРИКС и в число лучших учебных заведений мира по версии основного образовательного рейтинга QS. Стратегическая цель МИСиС к 2020 году стать глобальным лидером по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно укрепить свои позиции в сфере биоматериалов, нано- и ИТ-технологий. В состав университета входит 9 институтов, 4 филиала – три в России и один за рубежом. В НИТУ «МИСиС» обучаются более 15000 студентов. В лабораториях и научно-технических центрах университета работают ученые мирового уровня. Университет успешно реализует совместные проекты с крупнейшими российскими и зарубежными высокотехнологичными компаниями.


Энергия модернизации




print email blog

Нравится: