Merkuuri ülijuhtivus selgitas lõpuks

Rohkem kui 100 aastat tagasi, füüsik Heike Kamerlingh Onnes avastas, et tahke elavhõbe toimib ülijuhina. Nüüd on füüsikutel esimest korda täielik mikroskoopiline arusaam, miks see nii on. Itaalias L'Aquila ülikooli töörühm leidis kaasaegset esimeste põhimõtete arvutusmeetodit kasutades elavhõbeda elektroonilistes ja võre omadustes mitmeid kõrvalekaldeid, sealhulgas seni kirjeldamata elektronide sõelumisefekti, mis soodustab ülijuhtivust, vähendades ülijuhtivate elektronide paaride vahelist tõrjumist. Meeskond määras ka teoreetilise temperatuuri, mille juures toimub elavhõbeda ülijuhtiva faasi üleminek - teave, mis varem kondenseerunud aine õpikutest puudus.

Ülijuhtivus on materjali võime juhtida elektrit ilma takistuseta. Seda täheldatakse paljudes materjalides, kui need jahutatakse alla kriitilise temperatuuri T_c mis tähistab üleminekut ülijuhtivasse olekusse. Bardeen-Cooper-Schriefferi (BCS) tavapärase ülijuhtivuse teoorias toimub see üleminek siis, kui elektronid ületavad oma vastastikust elektrilist tõrjumist, moodustades nn Cooperi paare, mis seejärel liiguvad takistamatult läbi materjali ülivooluna.

Tahkest elavhõbedast sai esimene teadaolev ülijuht 1911. aastal, kui Onnes jahutas elemendi vedela heeliumi temperatuurini. Kuigi see klassifitseeriti hiljem tavapäraseks ülijuhiks, ei selgitatud selle käitumist kunagi täielikult ega ennustatud kriitilist temperatuuri – olukord, mis Gianna Profeta, kes juhtis hiljutisi jõupingutusi selle puuduse parandamiseks, nimetab "irooniliseks".

"Kuigi selle kriitiline temperatuur on kõrge temperatuuriga võrreldes äärmiselt madal.T_c materjalide, nagu kupraadid (vaskoksiidid) ja kõrgsurvehüdriidid, on elavhõbe mänginud ülijuhtivuse ajaloos erilist rolli, olles 1960. ja 1970. aastate alguses fenomenoloogiliste teooriate oluline etalon,“ ütleb Profeta. "See on tõesti irooniline, et elavhõbedat, elementi, mille ülijuhtivust esmakordselt teatati, ei ole siiani kunagi uuritud ülijuhtide kaasaegsete esmapõhiste meetoditega."

Empiirilisi või isegi poolempiirilisi parameetreid pole vaja

Profeta ja kolleegid alustasid oma töös kontrafaktuaaliga: kui Onnes poleks 1911. aastal elavhõbedas ülijuhtivust avastanud, kas teadlased saaksid tipptasemel arvutustehnikaid kasutades ennustada selle olemasolu tänapäeval? Sellele küsimusele vastamiseks kasutasid nad lähenemist nimega SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), mida peetakse üheks kõige täpsemaks viisiks reaalmaailma materjalide ülijuhtivate omaduste kirjeldamiseks.

Profeta selgitab, et selliste esmapõhiste lähenemisviiside puhul nagu SCDFT lahendatakse põhilised kvantmehaanika võrrandid, mis kirjeldavad tuumade ja elektronide käitumist materjalides, numbriliselt, ilma empiirilisi või isegi poolempiirilisi parameetreid kasutusele võtmata. Ainus teave, mida SCDFT nõuab, on antud materjali moodustavate aatomite paigutus ruumis, kuigi tavaliselt kasutatakse mõningaid standardseid lähendusi, et hoida arvutusaega hallata.

Seda tehnikat kasutades leidsid teadlased, et elavhõbeda ülijuhtivuse edendamiseks ühinevad kõik nähtused. Nende avastatud käitumine hõlmas ebatavalisi korrelatsiooniefekte materjali kristallstruktuurile; selle elektroonilise struktuuri relativistlikud parandused, mis muudavad fononite sagedusi, mis on kristallvõre vibratsioonid; ja elektronide vahelise jääk-Coulombi tõrjumise anomaalne renormaliseerumine madalal (ligikaudu 10 eV juures) d-riigid.

Profeta sõnul võib selliseid mõjusid enamikes (tavapärastes) ülijuhtides tähelepanuta jätta, kuid mitte elavhõbeda puhul. Eelkõige suurendab sõelumisefekt elemendi efektiivset kriitilist temperatuuri 30%. "Selles uuringus mõistsime, et kuigi elavhõbedat on selle lihtsa struktuuri ja keemia tõttu peetud üsna lihtsaks süsteemiks, on see tegelikult üks keerukamaid ülijuhte, mida oleme kohanud," räägib Profeta. Füüsika maailm.

Spin-orbiidi sidumise efektid on olulised

Pärast kõigi nende tegurite arvessevõtmist ennustasid teadlased a T_c elavhõbeda puhul, mis oli 2.5% piires tegelikust katseliselt mõõdetud väärtusest. Samuti leidsid nad, et kui arvutustesse ei kaasatud relativistlikke efekte, nagu spin-orbiidi sidumine (elektroni spinni ja selle orbiidi vaheline interaktsioon aatomituuma ümber), muutusid mõned fononirežiimid ebastabiilseks, mis näitab süsteemi kalduvust moonutada vähem sümmeetriliseks struktuuriks. Sellised mõjud mängivad seega otsustavat rolli elavhõbeda kriitilise temperatuuri määramisel. "Nagu meie igapäevane kogemus näitab, on elavhõbe toatemperatuuril üsna ebatavalises vedelas metallis olekus, mis peegeldub väga madala energiatarbega (kuid mitte ebastabiilsetes) fononrežiimides," selgitab Profeta. "Nende režiimide täpne kirjeldamine nõuab erilist hoolt."

Teadlased väidavad, et nende töö, mis on üksikasjalikult kirjeldatud Füüsiline ülevaade B., on ajaloolise tähtsusega. "Nüüd teame esimeses avastatud ülijuhis mängivaid mikroskoopilisi mehhanisme ja oleme kindlaks määranud selle ülijuhtiva faasi ülemineku – teave, mis puudus esimese ülijuhi avastamise jaoks, " ütleb Profeta.

Ta lisab, et see uus arusaam maailma vanimast ülijuhist, kuigi materjalipõhiselt lähenemine, oli võimalik ainult tänu suure läbilaskevõimega arvutustele. Sellised arvutused on võimelised sõeluma miljoneid teoreetilisi materjalikombinatsioone ja valima välja need, mis võiksid olla tavapärased ülijuhid ümbritseva keskkonna tingimuste lähedal. Selliste toatemperatuuril ülijuhtivate materjalide leidmine parandaks oluliselt elektrigeneraatorite ja ülekandeliinide efektiivsust ning lihtsustaks ülijuhtivuse tavalisi rakendusi, nagu ülijuhtivad magnetid osakeste kiirendites ja MRI-masinates.

"Elavhõbedas avastatud omapäraseid Coulombi renormaliseerimisefekte saab kasutada uute materjalide väljatöötamiseks, mille elektrooniline olekuprofiil on sarnane elavhõbedaga, pakkudes täiendavat nuppu materjalide kriitilise temperatuuri tõstmiseks, " ütleb Profeta. "Me uurime praegu seda võimalust."