Περισσότερα από 100 χρόνια πριν, ο φυσικός Heike Kamerlingh Onnes ανακάλυψε ότι ο στερεός υδράργυρος δρα ως υπεραγωγός. Τώρα, για πρώτη φορά, οι φυσικοί έχουν μια πλήρη μικροσκοπική κατανόηση του γιατί συμβαίνει αυτό. Χρησιμοποιώντας μια σύγχρονη υπολογιστική μέθοδο πρώτων αρχών, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της L'Aquila, Ιταλία, βρήκε αρκετές ανωμαλίες στις ιδιότητες του ηλεκτρονίου και του πλέγματος του υδραργύρου, συμπεριλαμβανομένου ενός αδιευκρίνιστου μέχρι στιγμής φαινομένου ελέγχου ηλεκτρονίων που προάγει την υπεραγωγιμότητα μειώνοντας την απώθηση μεταξύ ζευγών υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων. Η ομάδα προσδιόρισε επίσης τη θεωρητική θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει η μετάβαση της υπεραγώγιμης φάσης του υδραργύρου – πληροφορίες που προηγουμένως απουσίαζαν από τα εγχειρίδια συμπυκνωμένης ύλης.
Υπεραγωγιμότητα είναι η ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει ηλεκτρισμό χωρίς καμία αντίσταση. Παρατηρείται σε πολλά υλικά όταν ψύχονται κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία Tc που σηματοδοτεί τη μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση. Στη θεωρία της συμβατικής υπεραγωγιμότητας Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), αυτή η μετάβαση συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια ξεπερνούν την αμοιβαία ηλεκτρική απώθησή τους για να σχηματίσουν τα λεγόμενα "ζεύγη Cooper" που στη συνέχεια ταξιδεύουν ανεμπόδιστα μέσω του υλικού ως υπερένταση.
Ο στερεός υδράργυρος έγινε ο πρώτος γνωστός υπεραγωγός το 1911, όταν ο Onnes ψύξε το στοιχείο σε θερμοκρασίες υγρού ηλίου. Ενώ αργότερα χαρακτηρίστηκε ως συμβατικός υπεραγωγός, η συμπεριφορά του δεν εξηγήθηκε ποτέ πλήρως, ούτε προβλέφθηκε η κρίσιμη θερμοκρασία του - μια κατάσταση που Γιάννα Προφέτα, ο οποίος ηγήθηκε της πρόσφατης προσπάθειας για την αποκατάσταση αυτής της παράβλεψης, αποκαλεί «ειρωνική».
«Ενώ η κρίσιμη θερμοκρασία του είναι εξαιρετικά χαμηλή σε σύγκριση με την υψηλήTc υλικά όπως τα χαλκικά (οξείδια του χαλκού) και τα υδρίδια υψηλής πίεσης, ο υδράργυρος έχει παίξει ιδιαίτερο ρόλο στην ιστορία της υπεραγωγιμότητας, χρησιμεύοντας ως σημαντικό σημείο αναφοράς για τις φαινομενολογικές θεωρίες στις αρχές της δεκαετίας του 1960 και του 1970», λέει ο Profeta. «Αυτό είναι πράγματι ειρωνικό, ότι ο υδράργυρος, το στοιχείο στο οποίο αναφέρθηκε η υπεραγωγιμότητα για πρώτη φορά, δεν είχε μέχρι στιγμής μελετηθεί ποτέ με σύγχρονες μεθόδους πρώτων αρχών για υπεραγωγούς».
Δεν απαιτούνται εμπειρικές ή ακόμα και ημι-εμπειρικές παράμετροι
Στην εργασία τους, ο Profeta και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν με ένα αντίθετο: αν ο Onnes δεν είχε ανακαλύψει την υπεραγωγιμότητα στον υδράργυρο το 1911, θα μπορούσαν οι επιστήμονες να προβλέψουν την ύπαρξή του σήμερα χρησιμοποιώντας υπολογιστικές τεχνικές αιχμής; Για να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα, χρησιμοποίησαν μια προσέγγιση που ονομάζεται SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), η οποία θεωρείται ένας από τους πιο ακριβείς τρόπους περιγραφής των υπεραγώγιμων ιδιοτήτων των υλικών του πραγματικού κόσμου.
Σε προσεγγίσεις πρώτων αρχών όπως το SCDFT, εξηγεί ο Profeta, οι θεμελιώδεις εξισώσεις κβαντομηχανικής που περιγράφουν τη συμπεριφορά των πυρήνων και των ηλεκτρονίων στα υλικά επιλύονται αριθμητικά, χωρίς να εισάγονται εμπειρικές ή ακόμη και ημι-εμπειρικές παράμετροι. Οι μόνες πληροφορίες που απαιτούνται από το SCDFT είναι η διάταξη στο χώρο των ατόμων που σχηματίζουν ένα δεδομένο υλικό, αν και μερικές τυπικές προσεγγίσεις χρησιμοποιούνται συνήθως για να διατηρούνται οι υπολογιστικοί χρόνοι διαχειρίσιμοι.
Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μια πληθώρα φαινομένων ενώνονται για να προωθήσουν την υπεραγωγιμότητα στον υδράργυρο. Οι συμπεριφορές που αποκάλυψαν περιελάμβαναν ασυνήθιστα αποτελέσματα συσχέτισης στην κρυσταλλική δομή του υλικού. σχετικιστικές διορθώσεις στην ηλεκτρονική του δομή που μεταβάλλουν τις συχνότητες των φωνονίων, οι οποίες είναι δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος. και μια ανώμαλη επανακανονικοποίηση της υπολειπόμενης απώθησης Coulomb μεταξύ των ηλεκτρονίων λόγω χαμηλής στάθμης (περίπου 10 eV) d-κράτη.
Τέτοιες επιδράσεις θα μπορούσαν και παραμελήθηκαν στους περισσότερους (συμβατικούς) υπεραγωγούς, λέει ο Profeta, αλλά όχι στον υδράργυρο. Το φαινόμενο διαλογής, ειδικότερα, προκαλεί αύξηση 30% στην αποτελεσματική κρίσιμη θερμοκρασία του στοιχείου. «Σε αυτή τη μελέτη, συνειδητοποιήσαμε ότι παρόλο που ο υδράργυρος έχει θεωρηθεί ως ένα μάλλον απλό σύστημα λόγω της απλής δομής και χημείας του, είναι στην πραγματικότητα ένας από τους πιο περίπλοκους υπεραγωγούς που είχαμε συναντήσει», λέει ο Profeta. Κόσμος Φυσικής.
Τα φαινόμενα σύζευξης περιστροφικής τροχιάς είναι σημαντικά
Αφού έλαβαν υπόψη όλους αυτούς τους παράγοντες, οι ερευνητές προέβλεψαν α Tc για υδράργυρο που ήταν εντός του 2.5% της πραγματικής πειραματικά μετρηθείσας τιμής. Βρήκαν επίσης ότι εάν οι σχετικιστικές επιδράσεις όπως η σύζευξη περιστροφικής τροχιάς (η αλληλεπίδραση μεταξύ του σπιν ενός ηλεκτρονίου και της τροχιάς του γύρω από τον ατομικό πυρήνα) δεν περιλαμβάνονταν στους υπολογισμούς, ορισμένοι τρόποι φωνονίων έγιναν ασταθείς, υποδεικνύοντας την τάση του συστήματος να παραμορφώνονται σε λιγότερο συμμετρική δομή. Τέτοιες επιδράσεις διαδραματίζουν επομένως κρίσιμο ρόλο στον προσδιορισμό της κρίσιμης θερμοκρασίας του υδραργύρου. «Όπως δείχνει η καθημερινή μας εμπειρία, ο υδράργυρος σε θερμοκρασία δωματίου βρίσκεται σε μια μάλλον ασυνήθιστη κατάσταση υγρού μετάλλου, η οποία αντανακλάται σε πολύ χαμηλής ενέργειας (αλλά όχι ασταθείς) λειτουργίες φωνονίων», εξηγεί ο Profeta. "Η περιγραφή αυτών των τρόπων με ακρίβεια απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή."
Γιορτάστε την εκατονταετηρίδα της υπεραγωγιμότητας…
Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι η εργασία τους, η οποία αναλύεται στο Φυσική αναθεώρηση Β, έχει ιστορική σημασία. «Γνωρίζουμε τώρα τους μικροσκοπικούς μηχανισμούς που παίζουν στον πρώτο υπεραγωγό που ανακαλύφθηκε ποτέ και έχουμε προσδιορίσει τη μετάβαση φάσης της υπεραγώγιμης - πληροφορίες που έλειπαν για τον πρώτο υπεραγωγό που ανακαλύφθηκε ποτέ», λέει ο Profeta.
Αυτή η νέα κατανόηση του αρχαιότερου υπεραγωγού στον κόσμο, αν και μια προσέγγιση υλικού προς σχεδιασμό ήταν δυνατή μόνο χάρη στους υπολογισμούς υψηλής απόδοσης, προσθέτει. Τέτοιοι υπολογισμοί είναι ικανοί να εξετάσουν εκατομμύρια θεωρητικούς συνδυασμούς υλικών και να διαλέξουν αυτούς που θα μπορούσαν να είναι συμβατικοί υπεραγωγοί σε συνθήκες κοντά σε συνθήκες περιβάλλοντος. Η εύρεση τέτοιων υπεραγώγιμων υλικών θερμοκρασίας δωματίου θα βελτίωνε σημαντικά την απόδοση των ηλεκτρικών γεννητριών και των γραμμών μεταφοράς, καθώς και απλοποιώντας τις κοινές εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας όπως οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες σε επιταχυντές σωματιδίων και μηχανές MRI.
«Τα περίεργα φαινόμενα επανακανονικοποίησης Coulomb που ανακαλύφθηκαν στον υδράργυρο θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την κατασκευή νέων υλικών, με ένα προφίλ ηλεκτρονικής πυκνότητας καταστάσεων παρόμοιο με τον υδράργυρο, παρέχοντας ένα πρόσθετο κουμπί για την ενίσχυση της κρίσιμης θερμοκρασίας των υλικών», λέει ο Profeta. «Τώρα διερευνούμε αυτή την πιθανότητα».
