Merkurs Supraleitung endlich erklärt

Vor mehr als 100 Jahren, der Physiker Heike Kamerlingh-Onnes entdeckte, dass festes Quecksilber als Supraleiter wirkt. Jetzt haben Physiker erstmals ein vollständiges mikroskopisches Verständnis dafür, warum das so ist. Ein Team der Universität L'Aquila (Italien) hat mithilfe einer modernen First-Principles-Rechenmethode mehrere Anomalien in den elektronischen und Gittereigenschaften von Quecksilber gefunden, darunter einen bisher unbeschriebenen Elektronenabschirmungseffekt, der die Supraleitung fördert, indem er die Abstoßung zwischen supraleitenden Elektronenpaaren verringert. Das Team bestimmte auch die theoretische Temperatur, bei der der supraleitende Phasenübergang von Quecksilber stattfindet – Informationen, die bisher in Lehrbüchern über kondensierte Materie fehlten.

Supraleitung ist die Fähigkeit eines Materials, Elektrizität ohne Widerstand zu leiten. Es wird bei vielen Materialien beobachtet, wenn sie unter eine kritische Temperatur abgekühlt werden T_c Das markiert den Übergang in den supraleitenden Zustand. In der Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Theorie der konventionellen Supraleitung findet dieser Übergang statt, wenn Elektronen ihre gegenseitige elektrische Abstoßung überwinden und so genannte „Cooper-Paare“ bilden, die sich dann ungehindert als Suprastrom durch das Material bewegen.

Festes Quecksilber wurde 1911 zum ersten bekannten Supraleiter, als Onnes das Element auf die Temperatur von flüssigem Helium abkühlte. Obwohl es später als konventioneller Supraleiter eingestuft wurde, wurde sein Verhalten nie vollständig erklärt, noch wurde seine kritische Temperatur vorhergesagt – eine Situation, die … Gianna Profeta, der die jüngsten Bemühungen zur Behebung dieses Versäumnisses leitete, nennt es „ironisch“.

„Während seine kritische Temperatur im Vergleich zu hoher Temperatur extrem niedrig ist.T_c Quecksilber hat in der Geschichte der Supraleitung neben Materialien wie Cupraten (Kupferoxiden) und Hochdruckhydriden eine besondere Rolle gespielt und diente als wichtiger Maßstab für phänomenologische Theorien in den frühen 1960er und 1970er Jahren“, sagt Profeta. „Das ist in der Tat ironisch, dass Quecksilber, das Element, in dem erstmals über Supraleitung berichtet wurde, bisher noch nie mit modernen First-Principien-Methoden für Supraleiter untersucht wurde.“

Es sind keine empirischen oder sogar semiempirischen Parameter erforderlich

In ihrer Arbeit begannen Profeta und Kollegen mit einer kontrafaktischen Theorie: Wenn Onnes 1911 nicht die Supraleitung in Quecksilber entdeckt hätte, könnten Wissenschaftler deren Existenz heute mithilfe modernster Rechentechniken vorhersagen? Um diese Frage zu beantworten, verwendeten sie einen Ansatz namens SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), der als eine der genauesten Methoden zur Beschreibung der supraleitenden Eigenschaften realer Materialien gilt.

Bei First-Principle-Ansätzen wie SCDFT, erklärt Profeta, werden die grundlegenden quantenmechanischen Gleichungen, die das Verhalten von Kernen und Elektronen in Materialien beschreiben, numerisch gelöst, ohne dass empirische oder sogar halbempirische Parameter eingeführt werden. Die einzige von SCDFT benötigte Information ist die Anordnung der Atome, die ein bestimmtes Material bilden, im Raum, obwohl normalerweise einige Standardnäherungen verwendet werden, um die Rechenzeiten überschaubar zu halten.

Mit dieser Technik fanden die Forscher heraus, dass eine Vielzahl von Phänomenen zusammenkommen, um die Supraleitung in Quecksilber zu fördern. Zu den Verhaltensweisen, die sie entdeckten, gehörten ungewöhnliche Korrelationseffekte auf die Kristallstruktur des Materials; relativistische Korrekturen seiner elektronischen Struktur, die die Frequenzen von Phononen verändern, bei denen es sich um Schwingungen des Kristallgitters handelt; und eine anomale Renormierung der verbleibenden Coulomb-Abstoßung zwischen Elektronen aufgrund tief liegender (bei etwa 10 eV) d-Zustände.

Solche Effekte könnten und würden bei den meisten (konventionellen) Supraleitern vernachlässigt werden, sagt Profeta, nicht jedoch bei Quecksilber. Insbesondere der Abschirmeffekt führt zu einer Erhöhung der effektiven kritischen Temperatur des Elements um 30 %. „In dieser Studie haben wir festgestellt, dass Quecksilber aufgrund seiner unkomplizierten Struktur und Chemie zwar als ein eher einfaches System angesehen wurde, es sich jedoch tatsächlich um einen der komplexesten Supraleiter handelt, denen wir begegnet sind“, erzählt Profeta Physik-Welt.

Spin-Bahn-Kopplungseffekte sind wichtig

Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren prognostizierten die Forscher a T_c für Quecksilber lag dieser innerhalb von 2.5 % des tatsächlich experimentell gemessenen Wertes. Sie fanden auch heraus, dass einige Phononenmoden instabil wurden, wenn relativistische Effekte wie die Spin-Bahn-Kopplung (die Wechselwirkung zwischen dem Spin eines Elektrons und seiner Umlaufbahn um den Atomkern) nicht in die Berechnungen einbezogen wurden, was auf eine Tendenz des Systems hindeutet zu einer weniger symmetrischen Struktur verzerren. Solche Effekte spielen daher eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der kritischen Temperatur von Quecksilber. „Wie unsere Alltagserfahrung zeigt, liegt Quecksilber bei Raumtemperatur in einem eher ungewöhnlichen flüssigen Metallzustand vor, der sich in sehr niederenergetischen (aber nicht instabilen) Phononenmoden widerspiegelt“, erklärt Profeta. „Die genaue Beschreibung dieser Modi erfordert besondere Sorgfalt.“

Die Forscher behaupten, dass ihre Arbeit, die detailliert beschrieben wird, in Körperliche Überprüfung B., ist von historischer Bedeutung. „Wir kennen jetzt die mikroskopischen Mechanismen, die im ersten jemals entdeckten Supraleiter eine Rolle spielen, und haben seinen supraleitenden Phasenübergang bestimmt – Informationen, die für den ersten jemals entdeckten Supraleiter fehlten“, sagt Profeta.

Dieses neue Verständnis des ältesten Supraleiters der Welt sei durch einen Material-by-Design-Ansatz nur dank Hochdurchsatzberechnungen möglich gewesen, fügt er hinzu. Solche Berechnungen sind in der Lage, Millionen theoretischer Materialkombinationen zu untersuchen und diejenigen auszuwählen, die bei nahezu Umgebungsbedingungen konventionelle Supraleiter sein könnten. Die Suche nach solchen bei Raumtemperatur supraleitenden Materialien würde die Effizienz elektrischer Generatoren und Übertragungsleitungen erheblich verbessern und gängige Anwendungen der Supraleitung wie supraleitende Magnete in Teilchenbeschleunigern und MRT-Geräten vereinfachen.

„Die bei Quecksilber entdeckten besonderen Coulomb-Renormierungseffekte könnten zur Entwicklung neuer Materialien genutzt werden, deren elektronisches Zustandsdichteprofil dem von Quecksilber ähnelt und einen zusätzlichen Knopf zur Erhöhung der kritischen Temperatur von Materialien bietet“, sagt Profeta. „Wir prüfen jetzt diese Möglichkeit.“