La superconductividad de Mercurio explicada por fin

Hace más de 100 años, el físico Heike Kamerlingh Onnes descubrió que el mercurio sólido actúa como un superconductor. Ahora, por primera vez, los físicos tienen una comprensión microscópica completa de por qué esto es así. Usando un método computacional moderno de primeros principios, un equipo de la Universidad de L'Aquila, Italia, encontró varias anomalías en las propiedades electrónicas y de red del mercurio, incluido un efecto de detección de electrones no descrito hasta ahora que promueve la superconductividad al reducir la repulsión entre pares de electrones superconductores. El equipo también determinó la temperatura teórica a la que se produce la transición de fase superconductora del mercurio, información que antes no se encontraba en los libros de texto sobre materia condensada.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin ninguna resistencia. Se observa en muchos materiales cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica. T_c que marca la transición al estado superconductor. En la teoría de la superconductividad convencional de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), esta transición ocurre cuando los electrones superan su repulsión eléctrica mutua para formar los llamados "pares de Cooper" que luego viajan sin obstáculos a través del material como una supercorriente.

El mercurio sólido se convirtió en el primer superconductor conocido en 1911, cuando Onnes enfrió el elemento a la temperatura del helio líquido. Si bien luego se clasificó como un superconductor convencional, su comportamiento nunca se explicó completamente, ni se predijo su temperatura crítica, una situación que gianna profeta, quien dirigió el esfuerzo reciente para reparar este descuido, llama "irónico".

“Mientras que su temperatura crítica es extremadamente baja en comparación con las altasT_c materiales como los cupratos (óxidos de cobre) y los hidruros de alta presión, el mercurio ha jugado un papel especial en la historia de la superconductividad, sirviendo como un punto de referencia importante para las teorías fenomenológicas a principios de los años sesenta y setenta”, dice Profeta. "Esto es realmente irónico, que el mercurio, el elemento en el que se informó la superconductividad por primera vez, hasta ahora nunca había sido estudiado por métodos modernos de primeros principios para superconductores".

No se requieren parámetros empíricos o incluso semiempíricos

En su trabajo, Profeta y sus colegas comenzaron con un contrafactual: si Onnes no hubiera descubierto la superconductividad en el mercurio en 1911, ¿podrían los científicos predecir su existencia hoy usando técnicas computacionales de última generación? Para responder a esta pregunta, utilizaron un enfoque llamado Teoría funcional de la densidad superconductora (SCDFT), que se considera una de las formas más precisas de describir las propiedades superconductoras de los materiales del mundo real.

En enfoques de primeros principios como SCDFT, explica Profeta, las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica que describen el comportamiento de los núcleos y los electrones en los materiales se resuelven numéricamente, sin introducir ningún parámetro empírico o incluso semiempírico. La única información requerida por SCDFT es la disposición en el espacio de los átomos que forman un material dado, aunque generalmente se emplean algunas aproximaciones estándar para mantener manejables los tiempos computacionales.

Usando esta técnica, los investigadores encontraron que una panoplia de fenómenos se unen para promover la superconductividad en el mercurio. Los comportamientos que descubrieron incluyeron efectos de correlación inusuales en la estructura cristalina del material; correcciones relativistas a su estructura electrónica que alteran las frecuencias de los fonones, que son vibraciones de la red cristalina; y una renormalización anómala de la repulsión de Coulomb residual entre electrones debido a la baja (alrededor de 10 eV) d-estados.

Dichos efectos podrían ser, y fueron, ignorados en la mayoría de los superconductores (convencionales), dice Profeta, pero no en el mercurio. El efecto de pantalla, en particular, produce un aumento del 30% en la temperatura crítica efectiva del elemento. “En este estudio, nos dimos cuenta de que, aunque se ha considerado que el mercurio es un sistema bastante simple debido a su estructura y química sencillas, de hecho es uno de los superconductores más complejos que hemos encontrado”, dice Profeta. Mundo de la física.

Los efectos de acoplamiento espín-órbita son importantes

Después de tener en cuenta todos estos factores, los investigadores predijeron un T_c para el mercurio que estaba dentro del 2.5% del valor real medido experimentalmente. También encontraron que si los efectos relativistas como el acoplamiento espín-órbita (la interacción entre el espín de un electrón y su órbita alrededor del núcleo atómico) no se incluían en los cálculos, algunos modos de fonones se volvían inestables, lo que indicaba una tendencia del sistema a distorsionarse en una estructura menos simétrica. Por lo tanto, tales efectos juegan un papel crucial en la determinación de la temperatura crítica del mercurio. “Como muestra nuestra experiencia cotidiana, el mercurio a temperatura ambiente se encuentra en un estado de metal líquido bastante inusual, lo que se refleja en modos de fonones de muy baja energía (pero no inestables)”, explica Profeta. "Describir estos modos con precisión requiere un cuidado especial".

Los investigadores afirman que su trabajo, que se detalla en Revisión física B, es de importancia histórica. "Ahora conocemos los mecanismos microscópicos en juego en el primer superconductor descubierto y hemos determinado su transición de fase superconductora, información que faltaba para descubrir el primer superconductor", dice Profeta.

Esta nueva comprensión del superconductor más antiguo del mundo a través de un enfoque de material por diseño solo fue posible gracias a los cálculos de alto rendimiento, agrega. Dichos cálculos son capaces de evaluar millones de combinaciones de materiales teóricos y seleccionar aquellos que podrían ser superconductores convencionales en condiciones cercanas a las ambientales. Encontrar tales materiales superconductores a temperatura ambiente mejoraría enormemente la eficiencia de los generadores eléctricos y las líneas de transmisión, además de simplificar las aplicaciones comunes de la superconductividad, como los imanes superconductores en los aceleradores de partículas y las máquinas de resonancia magnética.

“Los peculiares efectos de renormalización de Coulomb descubiertos en el mercurio podrían explotarse para diseñar nuevos materiales, con una densidad electrónica de perfil de estados similar al mercurio, proporcionando una perilla adicional para mejorar la temperatura crítica de los materiales”, dice Profeta. “Ahora estamos explorando esta posibilidad”.