Старые карты сокровищ рисовали по слухам: кто-то нашёл золото у реки, кто-то в горах, и каждый копал в своём месте. С высокотемпературными сверхпроводниками вышло похоже: купраты нашли в одних соединениях, пниктиды железа в других, никелаты в третьих, а общей карты не было.
В этой работе карту нарисовали не по слухам, а по данным. Взяли 4253 экспериментально подтверждённых сверхпроводника, каждый описали 147 числами: свойства элементов, плотность, объём на атом, скрытые признаки из нейросетей, которые учились на кристаллических структурах. Затем без всякой подсказки про критическую температуру посмотрели, как материалы сами группируются в этом пространстве.
И тут случилось то, чего не ждали: купраты, пниктиды железа и никелаты, несмотря на разную химию, сбились в одну кучу. Как если бы три экспедиции, искавшие сокровища в разных концах света, независимо вышли к одной и той же бухте. Осталось понять, какие две координаты ведут в эту бухту.
Первая координата — разброс электроотрицательностей, то есть насколько сильно атомы в соединении отличаются по способности притягивать электроны. Вторая — среднее число валентных электронов, тех самых, что участвуют в связях. Оказалось, что верхняя граница достижимой критической температуры растёт с разбросом электроотрицательностей, а оптимальное число валентных электронов лежит в диапазоне от 7 до 8.
С этой картой можно искать новые сокровища. Двухэтапный фильтр сначала проверяет, попадает ли кандидат в заветную область, затем оценивает его критическую температуру. Среди сотен тысяч материалов из базы данных фильтр ретроспективно нашёл La4Ni3O10 с предсказанной температурой 6,8 кельвина, а затем предложил новые соединения, например Sr2CoO4 и Cs2TaCl6, которые ещё никто не синтезировал.
Карта не объясняет, почему эти материалы сверхпроводят, но теперь у любой будущей теории есть ориентир: механизм должен объяснять, почему большая разница электроотрицательностей и промежуточное число валентных электронов благоприятствуют высокой температуре. А экспериментаторы получили компас, который указывает, где копать дальше.
Правила Маттиаса, сформулированные в 1950-х, гласили, что хорошие сверхпроводники имеют в среднем 5 или 7 валентных электронов на атом. Новый анализ находит оптимум в диапазоне 7–8, что удивительно близко к старой эмпирике, но теперь подкреплено машинным обучением на тысячах соединений.
В романе Артура Кларка «Конец детства» сверхпроводники при комнатной температуре меняют энергетику и транспорт целой цивилизации. Поиск таких материалов в реальности часто идёт вслепую; эта работа предлагает компас, который может приблизить фантастику к лабораторному столу.