A Merkúr szupravezetése végre megmagyarázta

Több mint 100 évvel ezelőtt a fizikus Heike Kamerlingh Onnes felfedezte, hogy a szilárd higany szupravezetőként működik. Most először van a fizikusoknak teljes mikroszkopikus megértése, hogy miért van ez így. Az olaszországi L'Aquila Egyetem kutatócsoportja egy modern, első elvek szerinti számítási módszerrel számos anomáliát talált a higany elektronikai és rácstulajdonságaiban, köztük egy eddig nem leírt elektronszűrő hatást, amely a szupravezető elektronpárok közötti taszítás csökkentésével elősegíti a szupravezetést. A csapat meghatározta azt az elméleti hőmérsékletet is, amelyen a higany szupravezető fázisátalakulása megtörténik – ez az információ korábban hiányzott a kondenzált anyagokról szóló tankönyvekből.

A szupravezetés egy anyag azon képessége, hogy ellenállás nélkül vezeti az elektromosságot. Számos anyagnál megfigyelhető, ha kritikus hőmérséklet alá hűtik T_c ami a szupravezető állapotba való átmenetet jelzi. A Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) hagyományos szupravezetés elméletében ez az átmenet akkor következik be, amikor az elektronok legyőzik kölcsönös elektromos taszításukat, és úgynevezett „Cooper-párokat” alkotnak, amelyek aztán szuperáramként akadálytalanul haladnak át az anyagon.

A szilárd higany lett az első ismert szupravezető 1911-ben, amikor Onnes folyékony hélium hőmérsékletre hűtötte az elemet. Míg később a hagyományos szupravezetők közé sorolták, viselkedését soha nem magyarázták meg teljesen, és kritikus hőmérsékletét sem jósolták meg – ez a helyzet Gianna Profeta, aki vezette a közelmúltban ezt a mulasztást kijavító erőfeszítést, „ironikusnak” nevezi.

„Miközben kritikus hőmérséklete rendkívül alacsony a magashoz képest,T_c Az olyan anyagok, mint a kuprátok (réz-oxidok) és a nagynyomású hidridek, a higany különleges szerepet játszott a szupravezetés történetében, és a fenomenológiai elméletek fontos mércéjeként szolgált az 1960-as és 1970-es évek elején” – mondja Profeta. "Ez valóban ironikus, hogy a higanyt, azt az elemet, amelyben a szupravezetésről először számoltak be, eddig soha nem tanulmányozták modern, első elvű szupravezetők módszereivel."

Nincs szükség empirikus vagy akár fél-empirikus paraméterekre

Munkájuk során Profeta és munkatársai egy ellentétes tényállással kezdték: ha Onnes nem fedezte volna fel 1911-ben a szupravezetést a higanyban, vajon a tudósok megjósolhatják-e a mai létezését a legmodernebb számítási technikák segítségével? A kérdés megválaszolásához a SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT) elnevezésű megközelítést alkalmazták, amelyet az egyik legpontosabb módszernek tartanak a valós anyagok szupravezető tulajdonságainak leírására.

Profeta magyarázata szerint az olyan első elven alapuló megközelítésekben, mint az SCDFT, az atommagok és elektronok viselkedését leíró alapvető kvantummechanikai egyenletek numerikusan vannak megoldva anélkül, hogy bármilyen empirikus vagy akár fél-empirikus paramétert is bevezetnénk. Az egyetlen információ, amelyet az SCDFT igényel, az egy adott anyagot alkotó atomok térbeli elrendezése, bár általában néhány szabványos közelítést alkalmaznak a számítási idők kezelhetővé tétele érdekében.

Ezzel a technikával a kutatók azt találták, hogy a jelenségek halmaza együttesen elősegíti a higany szupravezetését. Az általuk feltárt viselkedések között szerepeltek az anyag kristályszerkezetére gyakorolt ​​szokatlan korrelációs hatások; elektronikus szerkezetének relativisztikus korrekciói, amelyek megváltoztatják a fononok frekvenciáját, amelyek a kristályrács rezgései; és az elektronok közötti reziduális Coulomb-taszítás rendellenes renormalizálása az alacsony fekvés miatt (körülbelül 10 eV-on) d-Államok.

Az ilyen hatásokat a legtöbb (hagyományos) szupravezető elhanyagolhatja, és elhanyagolta, mondja Profeta, a higany esetében azonban nem. Az árnyékoló hatás különösen az elem effektív kritikus hőmérsékletének 30%-os növekedését eredményezi. „Ebben a tanulmányban rájöttünk, hogy bár a higanyt meglehetősen egyszerű rendszernek tekintették egyszerű szerkezete és kémiája miatt, valójában ez az egyik legösszetettebb szupravezető, amellyel találkoztunk” – mondja Profeta. Fizika Világa.

A spin-pálya csatolási hatások fontosak

Mindezen tényezők figyelembevétele után a kutatók azt jósolták, hogy a T_c a higany esetében, amely a tényleges kísérletileg mért érték 2.5%-án belül volt. Azt is megállapították, hogy ha a relativisztikus hatásokat, például a spin-pálya csatolást (az elektron spinje és az atommag körüli pályája közötti kölcsönhatást) nem vették figyelembe a számításokban, néhány fononmód instabillá vált, ami arra utal, hogy a rendszer hajlamos kevésbé szimmetrikus szerkezetté torzul. Az ilyen hatások tehát döntő szerepet játszanak a higany kritikus hőmérsékletének meghatározásában. „Mint mindennapi tapasztalataink azt mutatják, hogy a higany szobahőmérsékleten meglehetősen szokatlan folyékony fém állapotban van, ami nagyon alacsony energiájú (de nem instabil) fonon üzemmódokban tükröződik” – magyarázza Profeta. "Ezen módok pontos leírása különös gondosságot igényel."

A kutatók azt állítják, hogy munkájukat, amelyet részletesen a Fizikai áttekintés B, történelmi jelentőségű. „Most már ismerjük az elsőként felfedezett szupravezetőben játszó mikroszkopikus mechanizmusokat, és meghatároztuk a szupravezető fázisátalakulását – ez az információ hiányzott az első szupravezető felfedezéséhez” – mondja Profeta.

A világ legrégebbi szupravezetőjének ez az új megértése, bár az anyagonkénti megközelítés csak a nagy áteresztőképességű számításoknak volt köszönhető, teszi hozzá. Az ilyen számítások elméleti anyagkombinációk millióinak átvilágítására képesek, és kiválasztják azokat, amelyek a környezeti feltételekhez közeli hagyományos szupravezetők lehetnek. Az ilyen szobahőmérsékletű szupravezető anyagok felkutatása nagymértékben javítaná az elektromos generátorok és távvezetékek hatékonyságát, valamint leegyszerűsítené a szupravezetés általános alkalmazásait, például a részecskegyorsítókban és az MRI-gépekben használt szupravezető mágneseket.

„A higanyban felfedezett sajátos Coulomb-renormalizációs hatások felhasználhatók új anyagok tervezésére, amelyek a higanyhoz hasonló elektronsűrűségű állapotprofillal rendelkeznek, és egy további gombot biztosítanak az anyagok kritikus hőmérsékletének növeléséhez” – mondja Profeta. – Most vizsgáljuk ezt a lehetőséget.