Merkurs superledningsevne forklaret langt om længe

For mere end 100 år siden, fysikeren Heike Kamerlingh Onnes opdaget, at fast kviksølv fungerer som en superleder. Nu har fysikere for første gang en komplet mikroskopisk forståelse af, hvorfor det er sådan. Ved hjælp af en moderne beregningsmetode med første principper fandt et hold fra University of L'Aquila, Italien, adskillige anomalier i kviksølvs elektroniske og gitteregenskaber, herunder en hidtil ubeskrevet elektronscreeningseffekt, der fremmer superledning ved at reducere frastødning mellem par af superledende elektroner. Holdet bestemte også den teoretiske temperatur, ved hvilken kviksølvs superledende faseovergang finder sted - information, der tidligere var fraværende fra lærebøger om kondenseret stof.

Superledning er et materiales evne til at lede elektricitet uden modstand. Det observeres i mange materialer, når de afkøles til under en kritisk temperatur T_c der markerer overgangen til den superledende tilstand. I Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorien om konventionel superledning sker denne overgang, når elektroner overvinder deres gensidige elektriske frastødning for at danne såkaldte "Cooper-par", der derefter bevæger sig uhindret gennem materialet som en superstrøm.

Fast kviksølv blev den første kendte superleder i 1911, da Onnes afkølede grundstoffet til flydende heliumtemperaturer. Mens den senere blev klassificeret som en konventionel superleder, blev dens adfærd aldrig fuldstændigt forklaret, og dens kritiske temperatur blev heller ikke forudsagt - en situation, der Gianna Profeta, der førte den seneste indsats for at reparere denne forglemmelse, kalder "ironisk".

"Mens dens kritiske temperatur er ekstremt lav sammenlignet med høj-T_c materialer som cuprates (kobberoxider) og højtrykshydrider, har kviksølv spillet en særlig rolle i superledningshistorien og tjente som et vigtigt pejlemærke for fænomenologiske teorier i begyndelsen af ​​1960'erne og 1970'erne," siger Profeta. "Dette er i sandhed ironisk, at kviksølv, det element, hvori superledning blev rapporteret for første gang, hidtil aldrig var blevet undersøgt af moderne førsteprincipper-metoder for superledere."

Der kræves ingen empiriske eller endda semi-empiriske parametre

I deres arbejde begyndte Profeta og kolleger med en kontrafaktisk: Hvis Onnes ikke havde opdaget superledning i kviksølv i 1911, kunne videnskabsmænd forudsige dets eksistens i dag ved hjælp af avancerede beregningsteknikker? For at besvare dette spørgsmål brugte de en tilgang kaldet SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), som anses for at være en af ​​de mest nøjagtige måder at beskrive de superledende egenskaber af materialer i den virkelige verden.

I første-princippet tilgange som SCDFT, Profeta forklarer, løses de grundlæggende kvantemekaniske ligninger, der beskriver adfærden af ​​kerner og elektroner i materialer, numerisk uden at introducere nogen empiriske eller endda semi-empiriske parametre. Den eneste information, der kræves af SCDFT, er arrangementet i rummet af de atomer, der danner et givet materiale, selvom nogle standardtilnærmelser normalt anvendes til at holde beregningstider overskuelige.

Ved hjælp af denne teknik fandt forskerne ud af, at en række fænomener alle samles for at fremme superledning i kviksølv. Den adfærd, de afslørede, omfattede usædvanlige korrelationseffekter på materialets krystalstruktur; relativistiske korrektioner til dens elektroniske struktur, der ændrer frekvenserne af fononer, som er vibrationer af krystalgitteret; og en unormal renormalisering af den resterende Coulomb-afstødning mellem elektroner på grund af lavtliggende (ved ca. 10 eV) d-stater.

Sådanne effekter kunne være og blev forsømt i de fleste (konventionelle) superledere, siger Profeta, men ikke i kviksølv. Specielt afskærmningseffekten giver en 30% stigning i elementets effektive kritiske temperatur. "I denne undersøgelse indså vi, at selvom kviksølv er blevet betragtet som værende et ret simpelt system på grund af dets ukomplicerede struktur og kemi, er det faktisk en af ​​de mest komplekse superledere, vi havde stødt på," fortæller Profeta. Fysik verden.

Spin-orbit koblingseffekter er vigtige

Efter at have taget alle disse faktorer i betragtning, forudsagde forskerne en T_c for kviksølv, der var inden for 2.5 % af den faktiske eksperimentelt målte værdi. De fandt også, at hvis relativistiske effekter såsom spin-kredsløbskobling (interaktionen mellem en elektrons spin og dens kredsløb omkring atomkernen) ikke var inkluderet i beregningerne, blev nogle fonontilstande ustabile, hvilket indikerer en tendens til, at systemet forvrænges til en mindre symmetrisk struktur. Sådanne effekter spiller således en afgørende rolle i bestemmelsen af ​​kviksølvs kritiske temperatur. "Som vores daglige erfaring viser, er kviksølv ved stuetemperatur i en ret usædvanlig flydende metaltilstand, hvilket afspejles i meget lavenergiske (men ikke ustabile) fonontilstande," forklarer Profeta. "At beskrive disse tilstande nøjagtigt kræver særlig omhu."

Forskerne hævder, at deres arbejde, som er detaljeret i Fysisk gennemgang B, er af historisk betydning. "Vi kender nu de mikroskopiske mekanismer, der er på spil i den første nogensinde opdagede superleder og har bestemt dens superledende faseovergang - information, der manglede for, at den første superleder nogensinde blev opdaget," siger Profeta.

Denne nye forståelse af verdens ældste superleder, selvom en materiale-by-design tilgang var kun mulig takket være high-throughput beregninger, tilføjer han. Sådanne beregninger er i stand til at screene millioner af teoretiske materialekombinationer og udvælge dem, der kunne være konventionelle superledere ved tæt på omgivende forhold. At finde sådanne superledende materialer ved stuetemperatur ville i høj grad forbedre effektiviteten af ​​elektriske generatorer og transmissionsledninger, samt forenkle almindelige anvendelser af superledning, såsom superledende magneter i partikelacceleratorer og MRI-maskiner.

"De ejendommelige Coulomb-renormaliseringseffekter, der er opdaget i kviksølv, kunne udnyttes til at konstruere nye materialer med en elektronisk densitet af tilstandsprofil, der ligner kviksølv, hvilket giver en ekstra knap til at øge den kritiske temperatur af materialer," siger Profeta. "Vi undersøger nu denne mulighed."