Merkuriuksen suprajohtavuus selitti vihdoinkin

Yli 100 vuotta sitten, fyysikko Heike Kamerlingh Onnes havaitsi, että kiinteä elohopea toimii suprajohteena. Nyt ensimmäistä kertaa fyysikoilla on täydellinen mikroskooppinen ymmärrys siitä, miksi näin on. Italian L'Aquilan yliopiston työryhmä löysi useita poikkeavuuksia elohopean elektroniikka- ja hilan ominaisuuksista käyttämällä modernia ensisijaisten periaatteiden laskentamenetelmää, mukaan lukien tähän asti kuvaamaton elektronien seulontavaikutus, joka edistää suprajohtavuutta vähentämällä hylkimistä suprajohtavien elektronien parien välillä. Tiimi määritti myös teoreettisen lämpötilan, jossa elohopean suprajohtava vaihemuutos tapahtuu - tiedot, jotka eivät aiemmin olleet kondensoituneiden aineiden oppikirjoissa.

Suprajohtavuus on materiaalin kyky johtaa sähköä ilman vastusta. Se havaitaan monissa materiaaleissa, kun ne jäähdytetään kriittisen lämpötilan alapuolelle T_c joka merkitsee siirtymistä suprajohtavaan tilaan. Bardeen-Cooper-Schriefferin (BCS) tavanomaisen suprajohtavuuden teoriassa tämä siirtymä tapahtuu, kun elektronit ylittävät keskinäisen sähköisen hylkimisen muodostaen niin sanottuja "Cooper-pareja", jotka sitten kulkevat esteettömästi materiaalin läpi supervirtana.

Kiinteästä elohopeasta tuli ensimmäinen tunnettu suprajohde vuonna 1911, kun Onnes jäähdytti elementin nestemäisen heliumin lämpötiloihin. Vaikka se myöhemmin luokiteltiin tavanomaiseksi suprajohteeksi, sen käyttäytymistä ei koskaan täysin selitetty, eikä sen kriittistä lämpötilaa ennustettu - tilanne, joka Gianna Profeta, joka johti äskettäisiä pyrkimyksiä korjata tämä virhe, kutsuu "ironiseksi".

"Vaikka sen kriittinen lämpötila on erittäin alhainen verrattuna korkeaan,T_c materiaalit, kuten kupraatit (kuparioksidit) ja korkeapainehydridit, elohopealla on ollut erityinen rooli suprajohtavuuden historiassa, ja se on toiminut tärkeänä vertailukohtana fenomenologisille teorioille 1960- ja 1970-luvun alussa”, Profeta sanoo. "Tämä on todellakin ironista, että elohopeaa, alkuainetta, jossa suprajohtavuus ilmoitettiin ensimmäistä kertaa, ei ole toistaiseksi koskaan tutkittu suprajohteiden nykyaikaisilla ensimmäisen periaatteen menetelmillä."

Empiirisiä tai edes puoliempiirisiä parametreja ei tarvita

Profeta ja kollegat aloittivat työssään kontrafaktaalilla: jos Onnes ei olisi havainnut suprajohtavuutta elohopeassa vuonna 1911, voisivatko tiedemiehet ennustaa sen olemassaolon nykyään käyttämällä huippuluokan laskentatekniikoita? Vastatakseen tähän kysymykseen he käyttivät lähestymistapaa nimeltä SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), jota pidetään yhtenä tarkimmista tavoista kuvata todellisten materiaalien suprajohtavia ominaisuuksia.

Profeta selittää, että SCDFT:n kaltaisissa ensisijaisissa lähestymistavoissa kvanttimekaniikan perusyhtälöt, jotka kuvaavat ytimien ja elektronien käyttäytymistä materiaaleissa, ratkaistaan ​​numeerisesti ilman mitään empiirisiä tai edes puoliempiirisiä parametreja. Ainoa SCDFT:n vaatima tieto on tietyn materiaalin muodostavien atomien järjestely avaruudessa, vaikkakin joitain standardilikiarvoja käytetään yleensä pitämään laskenta-ajat hallittavissa.

Tätä tekniikkaa käyttämällä tutkijat havaitsivat, että kaikki ilmiöt yhdistyvät edistämään elohopean suprajohtavuutta. Käyttäytymiset, jotka he paljastivat, sisälsivät epätavallisia korrelaatiovaikutuksia materiaalin kiderakenteeseen; sen elektronisen rakenteen relativistiset korjaukset, jotka muuttavat fononien taajuuksia, jotka ovat kidehilan värähtelyjä; ja elektronien välisen jäännös-Coulombin repulsion epänormaali uudelleennormalisointi matalalla sijaitsemisen vuoksi (noin 10 eV:ssa) d-valtiot.

Profeta sanoo, että tällaiset vaikutukset voidaan jättää huomiotta ja jätettiin huomiotta useimmissa (tavanomaisissa) suprajohtimissa, mutta ei elohopeassa. Erityisesti seulontavaikutus nostaa elementin tehollista kriittistä lämpötilaa 30 %. "Tässä tutkimuksessa ymmärsimme, että vaikka elohopeaa on pidetty melko yksinkertaisena järjestelmänä sen mutkattoman rakenteen ja kemian vuoksi, se on itse asiassa yksi monimutkaisimmista kohtaamistamme suprajohteista", Profeta kertoo. Fysiikan maailma.

Pyörityksen ja kiertoradan kytkentävaikutukset ovat tärkeitä

Kun kaikki nämä tekijät oli otettu huomioon, tutkijat ennustivat a T_c elohopealle, joka oli 2.5 % sisällä todellisesta kokeellisesti mitatusta arvosta. He havaitsivat myös, että jos relativistisia vaikutuksia, kuten spin-kiertorata-kytkentää (elektronin spinin ja sen kiertoradan välinen vuorovaikutus atomiytimen ympärillä) ei otettu huomioon laskelmissa, joistakin fononitiloista tuli epävakaita, mikä osoittaa järjestelmän taipumusta vääristyä vähemmän symmetriseksi rakenteeksi. Tällaisilla vaikutuksilla on siten ratkaiseva rooli elohopean kriittisen lämpötilan määrittämisessä. "Kuten jokapäiväinen kokemuksemme osoittaa, elohopea on huoneenlämmössä melko epätavallisessa nestemäisessä metallitilassa, mikä heijastuu erittäin alhaisen energian (mutta ei epävakaiden) fononitiloissa", Profeta selittää. "Näiden tilojen tarkka kuvaaminen vaatii erityistä huolellisuutta."

Tutkijat väittävät, että heidän työnsä, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti Fyysinen arviointi B, on historiallisesti tärkeä. "Tiedämme nyt ensimmäisessä löydetyssä suprajohteessa esiintyvät mikroskooppiset mekanismit ja olemme määrittäneet sen suprajohtavan vaiheen muutoksen - tiedot, jotka puuttuivat ensimmäisestä suprajohteesta, joka löydettiin", Profeta sanoo.

Tämä uusi ymmärrys maailman vanhimmasta suprajohteesta, vaikkakin materiaalikohtaisesti, oli mahdollista vain korkean suorituskyvyn laskelmien ansiosta, hän lisää. Tällaiset laskelmat pystyvät seulomaan miljoonia teoreettisia materiaaliyhdistelmiä ja poimimaan ne, jotka voisivat olla tavanomaisia ​​suprajohtimia lähellä ympäristön olosuhteita. Tällaisten huoneenlämpöisten suprajohtavien materiaalien löytäminen parantaisi huomattavasti sähkögeneraattoreiden ja siirtolinjojen tehokkuutta sekä yksinkertaistaisi suprajohtavuuden yleisiä sovelluksia, kuten suprajohtavia magneetteja hiukkaskiihdyttimissä ja MRI-koneissa.

"Elohopeassa havaittuja omituisia Coulombin renormalisaatiovaikutuksia voitaisiin hyödyntää uusien materiaalien suunnittelussa, joiden tilojen elektroninen tiheysprofiili on samanlainen kuin elohopealla, mikä tarjoaa lisänupin materiaalien kriittisen lämpötilan parantamiseksi", Profeta sanoo. "Tutkimme nyt tätä mahdollisuutta."