100 से अधिक साल पहले, भौतिक विज्ञानी हेइक कामेरलिंग ओन्नेस उन्होंने पाया कि ठोस पारा सुपरकंडक्टर के रूप में कार्य करता है। अब, पहली बार, भौतिकविदों को इसकी पूरी सूक्ष्म समझ है कि ऐसा क्यों है। एक आधुनिक प्रथम-सिद्धांत कम्प्यूटेशनल पद्धति का उपयोग करते हुए, इटली के ल'अक्विला विश्वविद्यालय की एक टीम ने पारे के इलेक्ट्रॉनिक और जाली गुणों में कई विसंगतियाँ पाईं, जिसमें एक अब तक अनिर्दिष्ट इलेक्ट्रॉन स्क्रीनिंग प्रभाव भी शामिल है जो अतिचालक इलेक्ट्रॉनों के जोड़े के बीच प्रतिकर्षण को कम करके अतिचालकता को बढ़ावा देता है। टीम ने सैद्धांतिक तापमान भी निर्धारित किया जिस पर पारा के सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण होता है - संघनित पदार्थ पाठ्यपुस्तकों से पहले अनुपस्थित जानकारी।
सुपरकंडक्टिविटी किसी पदार्थ की बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करने की क्षमता है। यह कई सामग्रियों में देखा जाता है जब उन्हें एक महत्वपूर्ण तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है Tc यह अतिचालक अवस्था में संक्रमण को चिह्नित करता है। पारंपरिक सुपरकंडक्टिविटी के बार्डीन-कूपर-श्रीफ़र (बीसीएस) सिद्धांत में, यह संक्रमण तब होता है जब इलेक्ट्रॉन तथाकथित "कूपर जोड़े" बनाने के लिए अपने पारस्परिक विद्युत प्रतिकर्षण को दूर करते हैं जो तब सामग्री के माध्यम से एक सुपरकरंट के रूप में बिना रुके यात्रा करते हैं।
ठोस पारा 1911 में पहला ज्ञात सुपरकंडक्टर बन गया, जब ओन्स ने तत्व को तरल हीलियम तापमान तक ठंडा कर दिया। जबकि इसे बाद में एक पारंपरिक सुपरकंडक्टर के रूप में वर्गीकृत किया गया था, इसके व्यवहार को कभी भी पूरी तरह से समझाया नहीं गया था, न ही इसके महत्वपूर्ण तापमान की भविष्यवाणी की गई थी - ऐसी स्थिति जो जियाना प्रोफेटा, जिन्होंने इस निरीक्षण को ठीक करने के हालिया प्रयास का नेतृत्व किया, "विडंबना" कहते हैं।
"जबकि इसका महत्वपूर्ण तापमान उच्च की तुलना में बेहद कम है-Tc कप्रेट्स (कॉपर ऑक्साइड्स) और हाई-प्रेशर हाइड्राइड्स जैसी सामग्री, पारा ने सुपरकंडक्टिविटी के इतिहास में एक विशेष भूमिका निभाई है, जो 1960 और 1970 के दशक की शुरुआत में घटना संबंधी सिद्धांतों के लिए एक महत्वपूर्ण बेंचमार्क के रूप में काम कर रहा था, ”प्रोफेटा कहते हैं। "यह वास्तव में विडंबना है, वह पारा, वह तत्व जिसमें पहली बार सुपरकंडक्टिविटी की सूचना दी गई थी, अब तक सुपरकंडक्टर्स के लिए आधुनिक प्रथम-सिद्धांतों के तरीकों का अध्ययन नहीं किया गया था।"
कोई अनुभवजन्य या अर्ध-अनुभवजन्य मापदंडों की आवश्यकता नहीं है
अपने काम में, प्रोफेटा और उनके सहयोगियों ने एक प्रतितथ्यात्मक के साथ शुरुआत की: अगर ओन्स ने 1911 में पारा में सुपरकंडक्टिविटी की खोज नहीं की थी, तो क्या वैज्ञानिक अत्याधुनिक कम्प्यूटेशनल तकनीकों का उपयोग करके आज इसके अस्तित्व की भविष्यवाणी कर सकते हैं? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, उन्होंने सुपरकंडक्टिंग डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (SCDFT) नामक एक दृष्टिकोण का उपयोग किया, जिसे वास्तविक दुनिया सामग्री के सुपरकंडक्टिंग गुणों का वर्णन करने के सबसे सटीक तरीकों में से एक माना जाता है।
एससीडीएफटी जैसे पहले सिद्धांतों के दृष्टिकोण में, प्रोफेटा बताते हैं, सामग्री में नाभिक और इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार का वर्णन करने वाले मौलिक क्वांटम यांत्रिकी समीकरणों को बिना किसी अनुभवजन्य या यहां तक कि अर्ध-अनुभवजन्य मापदंडों को पेश किए बिना संख्यात्मक रूप से हल किया जाता है। एससीडीएफटी द्वारा आवश्यक एकमात्र जानकारी परमाणुओं की जगह में व्यवस्था है जो एक दी गई सामग्री बनाती है, हालांकि कुछ मानक सन्निकटन आमतौर पर कम्प्यूटेशनल समय प्रबंधनीय रखने के लिए नियोजित होते हैं।
इस तकनीक का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि पारा में सुपरकंडक्टिविटी को बढ़ावा देने के लिए सभी घटनाएं एक साथ आती हैं। उन्होंने जिन व्यवहारों का खुलासा किया उनमें सामग्री की क्रिस्टल संरचना पर असामान्य सहसंबंध प्रभाव शामिल थे; इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना में सापेक्षिक सुधार जो फोनन की आवृत्तियों को बदलते हैं, जो क्रिस्टल जाली के कंपन हैं; और निम्न-स्तर (लगभग 10 eV पर) के कारण इलेक्ट्रॉनों के बीच अवशिष्ट कूलम्ब प्रतिकर्षण का एक असामान्य पुनर्सामान्यीकरण d-राज्य।
इस तरह के प्रभाव अधिकांश (पारंपरिक) सुपरकंडक्टर्स में उपेक्षित हो सकते हैं, और थे, प्रोफेटा कहते हैं, लेकिन पारा में नहीं। स्क्रीनिंग प्रभाव, विशेष रूप से, तत्व के प्रभावी महत्वपूर्ण तापमान में 30% की वृद्धि करता है। प्रोफेटा बताती हैं, "इस अध्ययन में, हमने महसूस किया कि हालांकि पारा को इसकी सरल संरचना और रसायन विज्ञान के कारण एक सरल प्रणाली के रूप में माना जाता है, यह वास्तव में सबसे जटिल सुपरकंडक्टर्स में से एक है।" भौतिकी की दुनिया.
स्पिन-ऑर्बिट युग्मन प्रभाव महत्वपूर्ण हैं
इन सभी कारकों को ध्यान में रखते हुए, शोधकर्ताओं ने भविष्यवाणी की Tc पारा के लिए जो वास्तविक प्रयोगात्मक रूप से मापे गए मूल्य के 2.5% के भीतर था। उन्होंने यह भी पाया कि यदि आपेक्षिक प्रभाव जैसे स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग (एक इलेक्ट्रॉन के स्पिन और परमाणु नाभिक के चारों ओर इसकी कक्षा के बीच की बातचीत) को गणना में शामिल नहीं किया गया, तो कुछ फोनन मोड अस्थिर हो गए, जो सिस्टम के लिए एक प्रवृत्ति का संकेत देते हैं। एक कम सममित संरचना में विकृत। इस तरह के प्रभाव पारा के महत्वपूर्ण तापमान को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। "जैसा कि हमारे रोजमर्रा के अनुभव से पता चलता है, कमरे के तापमान पर पारा असामान्य तरल धातु अवस्था में होता है, जो बहुत कम ऊर्जा (लेकिन अस्थिर नहीं) फोनन मोड में परिलक्षित होता है," प्रोफेटा बताते हैं। "इन विधियों का सटीक वर्णन करने के लिए विशेष देखभाल की आवश्यकता होती है।"
सुपरकंडक्टिविटी की शताब्दी मनाएं ...
शोधकर्ताओं का दावा है कि उनका काम, जिसमें विस्तृत है शारीरिक समीक्षा बी, ऐतिहासिक महत्व का है। प्रोफेटा कहते हैं, "अब हम पहली बार खोजे गए सुपरकंडक्टर में खेलने वाले सूक्ष्म तंत्र को जानते हैं और इसके सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण को निर्धारित किया है - जो कि पहले सुपरकंडक्टर की खोज की कमी थी।"
उन्होंने कहा कि दुनिया के सबसे पुराने सुपरकंडक्टर की यह नई समझ हालांकि सामग्री-दर-डिजाइन दृष्टिकोण केवल उच्च-थ्रूपुट संगणनाओं के लिए संभव थी। इस तरह की संगणनाएं लाखों सैद्धांतिक सामग्री संयोजनों की स्क्रीनिंग करने में सक्षम हैं और उन लोगों को चुनती हैं जो परिवेशी परिस्थितियों के करीब पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स हो सकते हैं। इस तरह के कमरे के तापमान की सुपरकंडक्टिंग सामग्री को खोजने से विद्युत जनरेटर और ट्रांसमिशन लाइनों की दक्षता में काफी सुधार होगा, साथ ही सुपरकंडक्टिविटी के सामान्य अनुप्रयोगों जैसे कण त्वरक और एमआरआई मशीनों में सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट को सरल बनाना होगा।
प्रोफेटा कहते हैं, "पारद में खोजे गए अजीबोगरीब कूलम्ब रेनॉर्मलाइज़ेशन प्रभावों का उपयोग नई सामग्रियों को इंजीनियर करने के लिए किया जा सकता है, जिसमें पारे के समान स्टेट्स प्रोफाइल का इलेक्ट्रॉनिक घनत्व होता है, जो सामग्री के महत्वपूर्ण तापमान को बढ़ाने के लिए एक अतिरिक्त नॉब प्रदान करता है।" "हम अब इस संभावना की खोज कर रहे हैं।"
