منذ أكثر من 100 عام ، الفيزيائي هايك كامرلينج أونز اكتشف أن الزئبق الصلب يعمل كموصل فائق. الآن ، ولأول مرة ، يمتلك الفيزيائيون فهمًا مجهريًا كاملًا لسبب ذلك. باستخدام طريقة حسابية حديثة من المبادئ الأولى ، وجد فريق من جامعة لاكويلا بإيطاليا العديد من الحالات الشاذة في خصائص الزئبق الإلكترونية والشبكية ، بما في ذلك تأثير الفرز الإلكتروني غير الموصوف حتى الآن والذي يعزز الموصلية الفائقة عن طريق تقليل التنافر بين أزواج الإلكترونات فائقة التوصيل. حدد الفريق أيضًا درجة الحرارة النظرية التي يحدث عندها انتقال الزئبق في مرحلة الموصلية الفائقة - وهي معلومات لم تكن موجودة سابقًا في كتب المواد المكثفة.
الموصلية الفائقة هي قدرة المادة على توصيل الكهرباء دون أي مقاومة. لوحظ في العديد من المواد عندما يتم تبريدها تحت درجة حرارة حرجة Tc التي تشير إلى الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق. في نظرية Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) للموصلية الفائقة التقليدية ، يحدث هذا الانتقال عندما تتغلب الإلكترونات على التنافر الكهربائي المتبادل لتشكيل ما يسمى "أزواج Cooper" التي تنتقل بعد ذلك دون عوائق عبر المادة كتيار فائق.
أصبح الزئبق الصلب أول موصل فائق معروف في عام 1911 ، عندما قام أونز بتبريد العنصر إلى درجات حرارة الهيليوم السائل. بينما تم تصنيفها لاحقًا على أنها موصل فائق تقليدي ، لم يتم شرح سلوكها بشكل كامل ، ولم يتم التنبؤ بدرجة حرارتها الحرجة - وهي حالة جيانا بروفيتا، الذي قاد الجهود الأخيرة لإصلاح هذا الخطأ ، يصفه بـ "السخرية".
"في حين أن درجة حرارته الحرجة منخفضة للغاية مقارنة بالدرجة العاليةTc مواد مثل الكوبرات (أكاسيد النحاس) وهيدرات الضغط العالي ، لعب الزئبق دورًا خاصًا في تاريخ الموصلية الفائقة ، حيث كان بمثابة معيار مهم للنظريات الظاهراتية في أوائل الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، "كما يقول بروفيتا. "هذا أمر مثير للسخرية حقًا ، أن الزئبق ، العنصر الذي تم الإبلاغ عن الموصلية الفائقة فيه لأول مرة ، لم تتم دراسته حتى الآن من خلال طرق المبادئ الأولى الحديثة للموصلات الفائقة."
لا توجد معايير تجريبية أو حتى شبه تجريبية مطلوبة
بدأ بروفيتا وزملاؤه في عملهم بوقائع معاكسة: إذا لم يكتشف أونز الموصلية الفائقة في الزئبق عام 1911 ، فهل يمكن للعلماء توقع وجوده اليوم باستخدام أحدث التقنيات الحسابية؟ للإجابة على هذا السؤال ، استخدموا مقاربة تسمى النظرية الوظيفية للكثافة الفائقة (SCDFT) ، والتي تُعتبر واحدة من أكثر الطرق دقة لوصف خصائص الموصلية الفائقة للمواد في العالم الحقيقي.
في مناهج المبادئ الأولى مثل SCDFT ، يوضح بروفيتا ، أن معادلات ميكانيكا الكم الأساسية التي تصف سلوك النوى والإلكترونات في المواد يتم حلها عدديًا ، دون إدخال أي معلمات تجريبية أو حتى شبه تجريبية. المعلومات الوحيدة المطلوبة من قبل SCDFT هي الترتيب في الفضاء للذرات التي تشكل مادة معينة ، على الرغم من أن بعض التقريبات القياسية تستخدم عادة للحفاظ على الأوقات الحسابية يمكن التحكم فيها.
باستخدام هذه التقنية ، وجد الباحثون أن مجموعة من الظواهر تتجمع معًا لتعزيز الموصلية الفائقة في الزئبق. تضمنت السلوكيات التي اكتشفوها تأثيرات ارتباط غير عادية على التركيب البلوري للمادة. التصحيحات النسبية لهيكلها الإلكتروني الذي يغير ترددات الفونونات ، وهي اهتزازات الشبكة البلورية ؛ وإعادة التطبيع الشاذ لتنافر كولوم المتبقي بين الإلكترونات بسبب الكذب المنخفض (عند حوالي 10 فولت) d-تنص على.
يقول بروفيتا إن مثل هذه التأثيرات يمكن أن تكون مهملة ، وقد تم إهمالها في معظم الموصلات الفائقة (التقليدية) ، ولكن ليس في الزئبق. ينتج عن تأثير الغربلة ، على وجه الخصوص ، زيادة بنسبة 30٪ في درجة الحرارة الحرجة الفعالة للعنصر. يقول بروفيتا: "في هذه الدراسة ، أدركنا أنه على الرغم من اعتبار الزئبق نظامًا بسيطًا إلى حد ما بسبب تركيبته غير المعقدة وكيميائيته ، إلا أنه في الواقع أحد أكثر الموصلات الفائقة التي واجهناها تعقيدًا". عالم الفيزياء.
تأثيرات اقتران الدوران والمدار مهمة
بعد أخذ كل هذه العوامل في الاعتبار ، توقع الباحثون أ Tc بالنسبة للزئبق الذي كان في حدود 2.5٪ من القيمة الفعلية المقاسة تجريبياً. ووجدوا أيضًا أنه إذا لم يتم تضمين التأثيرات النسبية مثل اقتران الدوران المغزلي (التفاعل بين دوران الإلكترون ومداره حول النواة الذرية) في الحسابات ، فإن بعض أنماط الفونون أصبحت غير مستقرة ، مما يشير إلى ميل النظام إلى تشوه إلى بنية أقل تماثلًا. وبالتالي ، تلعب هذه التأثيرات دورًا حاسمًا في تحديد درجة الحرارة الحرجة للزئبق. يوضح بروفيتا: "كما تُظهر تجربتنا اليومية ، يكون الزئبق في درجة حرارة الغرفة في حالة معدن سائل غير عادي إلى حد ما ، وهو ما ينعكس في أوضاع الفونون منخفضة الطاقة (ولكن ليست غير مستقرة)". "يتطلب وصف هذه الأوضاع بدقة عناية خاصة."
احتفل بالذكرى المئوية للناقلية الفائقة ...
يدعي الباحثون أن عملهم الذي تم تفصيله في المراجعة البدنية ب، له أهمية تاريخية. يقول بروفيتا: "نحن نعرف الآن الآليات المجهرية التي تلعب دورًا في أول موصل فائق تم اكتشافه على الإطلاق ، وقد حددنا انتقال طور الموصلية الفائقة - وهي المعلومات التي كانت تفتقر إلى اكتشاف أول موصل فائق على الإطلاق".
ويضيف أن هذا الفهم الجديد لأقدم موصل فائق في العالم على الرغم من اتباع نهج المواد حسب التصميم لم يكن ممكنًا إلا بفضل الحسابات عالية الإنتاجية. مثل هذه الحسابات قادرة على فحص الملايين من مجموعات المواد النظرية واختيار تلك التي يمكن أن تكون موصلات فائقة تقليدية في ظروف قريبة من الظروف المحيطة. إن العثور على مثل هذه المواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة سيحسن بشكل كبير من كفاءة المولدات الكهربائية وخطوط النقل ، بالإضافة إلى تبسيط التطبيقات الشائعة للموصلية الفائقة مثل المغناطيسات فائقة التوصيل في مسرعات الجسيمات وآلات التصوير بالرنين المغناطيسي.
يقول بروفيتا: "يمكن استغلال تأثيرات إعادة التطبيع الخاصة بـ Coulomb المكتشفة في الزئبق لهندسة مواد جديدة ، بكثافة إلكترونية لحالات تشبه الزئبق ، مما يوفر مقبضًا إضافيًا لتعزيز درجة الحرارة الحرجة للمواد". "نحن نستكشف الآن هذا الاحتمال."
