بیش از 100 سال پیش، فیزیکدان هایکه کامرلینگ اوننس کشف کرد که جیوه جامد به عنوان یک ابررسانا عمل می کند. اکنون، برای اولین بار، فیزیکدانان درک میکروسکوپی کاملی از چرایی این موضوع دارند. تیمی از دانشگاه اکویلا ایتالیا، با استفاده از یک روش محاسباتی مدرن با اصول اول، چندین ناهنجاری در خواص الکترونیکی و شبکه جیوه پیدا کردند، از جمله یک اثر غربالگری الکترونی که تاکنون توصیف نشده بود که ابررسانایی را با کاهش دافعه بین جفت الکترون‌های ابررسانا افزایش می‌دهد. این تیم همچنین دمای نظری را تعیین کردند که در آن انتقال فاز ابررسانای جیوه اتفاق می افتد - اطلاعاتی که قبلاً در کتاب های درسی ماده متراکم وجود نداشت.
ابررسانایی توانایی یک ماده برای هدایت الکتریسیته بدون هیچ مقاومتی است. در بسیاری از مواد زمانی که زیر دمای بحرانی سرد می شوند مشاهده می شود Tc که نشان دهنده گذار به حالت ابررسانا است. در نظریه ابررسانایی متعارف باردین-کوپر-شریفر (BCS)، این انتقال زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها بر دافعه الکتریکی متقابل خود غلبه کنند و به اصطلاح «جفت‌های کوپر» را تشکیل دهند که سپس بدون مانع در ماده به‌عنوان یک ابر جریان حرکت می‌کنند.
جیوه جامد اولین ابررسانای شناخته شده در سال 1911 شد، زمانی که Onnes عنصر را تا دمای هلیوم مایع خنک کرد. در حالی که بعداً به عنوان یک ابررسانای معمولی طبقه بندی شد، رفتار آن هرگز به طور کامل توضیح داده نشد، و همچنین دمای بحرانی آن پیش بینی نشد - وضعیتی که جیانا پروفتا، که رهبری تلاش اخیر برای ترمیم این نظارت را بر عهده داشت، آن را "طعنه آمیز" می خواند.
در حالی که دمای بحرانی آن در مقایسه با دمای بالا بسیار پایین است.Tc پروفتا می‌گوید: موادی مانند کوپرات‌ها (اکسیدهای مس) و هیدریدهای فشار بالا، جیوه نقش ویژه‌ای در تاریخ ابررسانایی داشته است و به عنوان معیار مهمی برای نظریه‌های پدیدارشناسی در اوایل دهه 1960 و 1970 عمل می‌کند. این در واقع طعنه آمیز است، که جیوه، عنصری که در آن ابررسانایی برای اولین بار گزارش شد، تاکنون هرگز با روش های اصول اول مدرن برای ابررساناها مورد مطالعه قرار نگرفته است.
هیچ پارامتر تجربی یا حتی نیمه تجربی مورد نیاز نیست
پروفتا و همکارانش در کار خود با یک خلاف واقع شروع کردند: اگر اونز در سال 1911 ابررسانایی در جیوه را کشف نکرده بود، آیا دانشمندان می‌توانستند امروز با استفاده از تکنیک‌های محاسباتی پیشرفته، وجود آن را پیش‌بینی کنند؟ برای پاسخ به این سوال، آنها از رویکردی به نام نظریه تابعی چگالی ابررسانا (SCDFT) استفاده کردند که یکی از دقیق‌ترین روش‌ها برای توصیف خواص ابررسانایی مواد در دنیای واقعی در نظر گرفته می‌شود.
پروفتا توضیح می‌دهد که در رویکردهای اولیه مانند SCDFT، معادلات مکانیک کوانتومی بنیادی که رفتار هسته‌ها و الکترون‌ها را در مواد توصیف می‌کنند، به صورت عددی حل می‌شوند، بدون اینکه هیچ پارامتر تجربی یا حتی نیمه تجربی ارائه کنند. تنها اطلاعات مورد نیاز SCDFT، آرایش اتم‌هایی است که یک ماده معین را تشکیل می‌دهند، اگرچه برخی از تقریب‌های استاندارد معمولاً برای مدیریت زمان‌های محاسباتی استفاده می‌شوند.
با استفاده از این تکنیک، محققان دریافتند که مجموعه‌ای از پدیده‌ها برای ارتقای ابررسانایی در جیوه گرد هم می‌آیند. رفتارهایی که آنها کشف کردند شامل اثرات همبستگی غیرمعمول بر ساختار کریستالی ماده بود. اصلاحات نسبیتی در ساختار الکترونیکی آن که فرکانس فونون ها را تغییر می دهد، که ارتعاشات شبکه کریستالی هستند. و عادی سازی مجدد غیرعادی دافعه کولن باقیمانده بین الکترون ها به دلیل کم قرار گرفتن (در حدود 10 eV) d-ایالت ها.
پروفتا می‌گوید، چنین تأثیراتی را می‌توان در اکثر ابررساناهای (معمولی) نادیده گرفت، اما در جیوه نه. اثر غربالگری، به ویژه، 30٪ افزایش در دمای بحرانی موثر عنصر ایجاد می کند. پروفتا می‌گوید: «در این مطالعه متوجه شدیم که اگرچه جیوه به دلیل ساختار و شیمی غیرپیچیده‌اش یک سیستم نسبتاً ساده در نظر گرفته شده است، اما در واقع یکی از پیچیده‌ترین ابررساناهایی است که با آن مواجه شده‌ایم.» دنیای فیزیک.
اثرات کوپلینگ مدار چرخشی مهم هستند
پس از در نظر گرفتن همه این عوامل، محققان پیش بینی کردند که یک Tc برای جیوه ای که در 2.5٪ از مقدار واقعی اندازه گیری تجربی بود. آنها همچنین دریافتند که اگر اثرات نسبیتی مانند جفت شدن مدار اسپین (برهمکنش بین اسپین یک الکترون و مدار آن به دور هسته اتم) در محاسبات لحاظ نشود، برخی از حالت‌های فونون ناپایدار می‌شوند که نشان دهنده تمایل سیستم به اعوجاج به ساختار کمتر متقارن. بنابراین، چنین اثراتی نقش مهمی در تعیین دمای بحرانی جیوه دارند. پروفتا توضیح می‌دهد: «همان‌طور که تجربه روزمره ما نشان می‌دهد، جیوه در دمای اتاق در حالت فلز مایع نسبتاً غیرعادی است که در حالت‌های فونون بسیار کم انرژی (اما نه ناپایدار) منعکس می‌شود. "توصیف دقیق این حالت ها نیاز به دقت ویژه ای دارد."
صدمین سالگرد ابررسانایی را جشن بگیرید…
محققان ادعا می کنند که کار آنها که به تفصیل در بررسی فیزیکی ب، از اهمیت تاریخی برخوردار است. پروفتا می‌گوید: «ما اکنون مکانیسم‌های میکروسکوپی موجود در اولین ابررسانای کشف‌شده را می‌دانیم و انتقال فاز ابررسانا آن را تعیین کرده‌ایم - اطلاعاتی که برای اولین ابررسانا کشف شده وجود نداشت.»
او اضافه می‌کند که این درک جدید از قدیمی‌ترین ابررسانای جهان، با وجود رویکرد ماده به طراحی، تنها به لطف محاسبات با توان بالا امکان‌پذیر است. چنین محاسباتی قادر به غربالگری میلیون‌ها ترکیب نظری مواد و انتخاب آن‌هایی هستند که می‌توانند ابررساناهای معمولی در شرایط نزدیک به محیط باشند. یافتن چنین مواد ابررسانا در دمای اتاق، کارایی ژنراتورهای الکتریکی و خطوط انتقال را بسیار بهبود می بخشد، همچنین کاربردهای رایج ابررسانایی مانند آهنرباهای ابررسانا در شتاب دهنده های ذرات و ماشین های MRI را ساده می کند.
پروفتا می‌گوید: «اثرات عجیب و غریب طبیعی‌سازی مجدد کولوم کشف‌شده در جیوه می‌تواند برای مهندسی مواد جدید، با چگالی الکترونیکی حالت‌های شبیه به جیوه، بهره‌برداری شود که یک دکمه اضافی برای افزایش دمای بحرانی مواد فراهم می‌کند.» ما اکنون در حال بررسی این امکان هستیم.»
