La supraconductivité de Mercure enfin expliquée

Il y a plus de 100 ans, le physicien Heike Kamerlingh Onnes découvert que le mercure solide agit comme un supraconducteur. Maintenant, pour la première fois, les physiciens ont une compréhension microscopique complète de pourquoi il en est ainsi. En utilisant une méthode de calcul moderne basée sur les premiers principes, une équipe de l'Université de L'Aquila, en Italie, a découvert plusieurs anomalies dans les propriétés électroniques et de réseau du mercure, y compris un effet de filtrage d'électrons jusqu'ici non décrit qui favorise la supraconductivité en réduisant la répulsion entre les paires d'électrons supraconducteurs. L'équipe a également déterminé la température théorique à laquelle se produit la transition de phase supraconductrice du mercure – une information auparavant absente des manuels sur la matière condensée.

La supraconductivité est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sans aucune résistance. Il est observé dans de nombreux matériaux lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique T_c qui marque le passage à l'état supraconducteur. Dans la théorie Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) de la supraconductivité conventionnelle, cette transition se produit lorsque les électrons surmontent leur répulsion électrique mutuelle pour former ce que l'on appelle des "paires de Cooper" qui se déplacent ensuite sans entrave à travers le matériau sous forme de supercourant.

Le mercure solide est devenu le premier supraconducteur connu en 1911, lorsque Onnes a refroidi l'élément à des températures d'hélium liquide. Bien qu'il ait ensuite été classé comme un supraconducteur conventionnel, son comportement n'a jamais été entièrement expliqué, ni sa température critique prédite - une situation qui Gianna Proféta, qui a dirigé l'effort récent pour réparer cet oubli, appelle « ironique ».

"Alors que sa température critique est extrêmement basse par rapport à la haute-T_c comme les cuprates (oxydes de cuivre) et les hydrures à haute pression, le mercure a joué un rôle particulier dans l'histoire de la supraconductivité, servant de référence importante pour les théories phénoménologiques au début des années 1960 et 1970 », déclare Profeta. "C'est en effet ironique que le mercure, l'élément dans lequel la supraconductivité a été signalée pour la première fois, n'ait jusqu'à présent jamais été étudié par les méthodes modernes des premiers principes pour les supraconducteurs."

Aucun paramètre empirique ou même semi-empirique requis

Dans leur travail, Profeta et ses collègues ont commencé par un contrefactuel : si Onnes n'avait pas découvert la supraconductivité dans le mercure en 1911, les scientifiques pourraient-ils prédire son existence aujourd'hui en utilisant des techniques informatiques de pointe ? Pour répondre à cette question, ils ont utilisé une approche appelée théorie fonctionnelle de la densité superconductrice (SCDFT), qui est considérée comme l'un des moyens les plus précis de décrire les propriétés supraconductrices des matériaux du monde réel.

Dans les approches de premiers principes comme SCDFT, explique Profeta, les équations fondamentales de la mécanique quantique décrivant le comportement des noyaux et des électrons dans les matériaux sont résolues numériquement, sans introduire de paramètres empiriques ou même semi-empiriques. La seule information requise par SCDFT est la disposition dans l'espace des atomes qui forment un matériau donné, bien que certaines approximations standard soient généralement utilisées pour maintenir les temps de calcul gérables.

En utilisant cette technique, les chercheurs ont découvert qu'une panoplie de phénomènes s'unissent pour favoriser la supraconductivité du mercure. Les comportements qu'ils ont découverts comprenaient des effets de corrélation inhabituels sur la structure cristalline du matériau ; des corrections relativistes de sa structure électronique qui modifient les fréquences des phonons, qui sont des vibrations du réseau cristallin ; et une renormalisation anormale de la répulsion résiduelle de Coulomb entre les électrons due à la basse altitude (à environ 10 eV) d-États.

De tels effets pourraient être, et ont été, négligés dans la plupart des supraconducteurs (conventionnels), dit Profeta, mais pas dans le mercure. L'effet d'écran, en particulier, produit une augmentation de 30 % de la température critique effective de l'élément. "Dans cette étude, nous avons réalisé que bien que le mercure ait été considéré comme un système plutôt simple en raison de sa structure et de sa chimie simples, il s'agit en fait de l'un des supraconducteurs les plus complexes que nous ayons rencontrés", a déclaré Profeta. Monde de la physique.

Les effets de couplage spin-orbite sont importants

Après avoir pris en compte tous ces facteurs, les chercheurs ont prédit une T_c pour le mercure qui était à moins de 2.5 % de la valeur réelle mesurée expérimentalement. Ils ont également constaté que si les effets relativistes tels que le couplage spin-orbite (l'interaction entre le spin d'un électron et son orbite autour du noyau atomique) n'étaient pas inclus dans les calculs, certains modes de phonons devenaient instables, indiquant une tendance du système à se déformer en une structure moins symétrique. Ces effets jouent donc un rôle crucial dans la détermination de la température critique du mercure. "Comme le montre notre expérience quotidienne, le mercure à température ambiante est dans un état de métal liquide plutôt inhabituel, qui se reflète dans des modes phonons à très faible énergie (mais pas instables)", explique Profeta. "Décrire ces modes avec précision nécessite une attention particulière."

Les chercheurs affirment que leurs travaux, qui sont détaillés dans Examen physique B, a une importance historique. "Nous connaissons maintenant les mécanismes microscopiques en jeu dans le tout premier supraconducteur découvert et avons déterminé sa transition de phase supraconductrice - des informations qui manquaient pour que le tout premier supraconducteur soit découvert", déclare Profeta.

Cette nouvelle compréhension du supraconducteur le plus ancien du monde grâce à une approche matériau par conception n'a été possible que grâce à des calculs à haut débit, ajoute-t-il. De tels calculs sont capables de filtrer des millions de combinaisons de matériaux théoriques et de sélectionner ceux qui pourraient être des supraconducteurs conventionnels dans des conditions proches des conditions ambiantes. La découverte de tels matériaux supraconducteurs à température ambiante améliorerait considérablement l'efficacité des générateurs électriques et des lignes de transmission, tout en simplifiant les applications courantes de la supraconductivité telles que les aimants supraconducteurs dans les accélérateurs de particules et les appareils IRM.

"Les effets particuliers de renormalisation de Coulomb découverts dans le mercure pourraient être exploités pour concevoir de nouveaux matériaux, avec un profil de densité électronique d'états similaire au mercure, fournissant un bouton supplémentaire pour améliorer la température critique des matériaux", déclare Profeta. "Nous explorons maintenant cette possibilité."