Superkonduktivitas Merkurius akhirnya dijelaskan

Lebih dari 100 tahun yang lalu, fisikawan Heike Kamerlingh Onnes menemukan bahwa merkuri padat bertindak sebagai superkonduktor. Sekarang, untuk pertama kalinya, fisikawan memiliki pemahaman mikroskopis yang lengkap tentang mengapa demikian. Menggunakan metode komputasi prinsip-pertama modern, tim dari Universitas L'Aquila, Italia, menemukan beberapa anomali dalam sifat elektron dan kisi merkuri, termasuk efek penyaringan elektron yang sampai sekarang belum dijelaskan yang meningkatkan superkonduktivitas dengan mengurangi tolakan antara pasangan elektron superkonduktor. Tim juga menentukan suhu teoretis di mana transisi fase superkonduktor merkuri terjadi – informasi yang sebelumnya tidak ada dalam buku teks materi terkondensasi.

Superkonduktivitas adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan listrik tanpa adanya hambatan. Itu diamati pada banyak bahan ketika didinginkan di bawah suhu kritis T_c yang menandai transisi ke keadaan superkonduktor. Dalam teori superkonduktivitas konvensional Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), transisi ini terjadi ketika elektron mengatasi tolakan listrik bersama untuk membentuk apa yang disebut "pasangan Cooper" yang kemudian berjalan tanpa hambatan melalui material sebagai arus super.

Merkuri padat menjadi superkonduktor pertama yang diketahui pada tahun 1911, ketika Onnes mendinginkan unsur tersebut ke suhu helium cair. Sementara itu kemudian digolongkan sebagai superkonduktor konvensional, perilakunya tidak pernah sepenuhnya dijelaskan, suhu kritisnya juga tidak diprediksi – situasi yang Gianna Profeta, yang memimpin upaya baru-baru ini untuk memperbaiki kekeliruan ini, menyebutnya “ironis”.

“Sementara suhu kritisnya sangat rendah dibandingkan suhu tinggi,T_c bahan seperti cuprates (tembaga oksida) dan hidrida bertekanan tinggi, merkuri telah memainkan peran khusus dalam sejarah superkonduktivitas, berfungsi sebagai tolok ukur penting untuk teori fenomenologis pada awal 1960-an dan 1970-an, ”kata Profeta. “Ini sungguh ironis, bahwa merkuri, unsur di mana superkonduktivitas dilaporkan untuk pertama kalinya, sejauh ini belum pernah dipelajari dengan metode prinsip pertama modern untuk superkonduktor.”

Tidak diperlukan parameter empiris atau bahkan semi-empiris

Dalam pekerjaan mereka, Profeta dan rekannya memulai dengan kontrafaktual: jika Onnes tidak menemukan superkonduktivitas dalam merkuri pada tahun 1911, dapatkah para ilmuwan memprediksi keberadaannya saat ini menggunakan teknik komputasi canggih? Untuk menjawab pertanyaan ini, mereka menggunakan pendekatan yang disebut SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), yang dianggap sebagai salah satu cara paling akurat untuk mendeskripsikan sifat superkonduktor dari material dunia nyata.

Dalam pendekatan prinsip pertama seperti SCDFT, Profeta menjelaskan, persamaan mekanika kuantum mendasar yang menggambarkan perilaku inti dan elektron dalam material diselesaikan secara numerik, tanpa memasukkan parameter empiris atau bahkan semi-empiris. Satu-satunya informasi yang diperlukan oleh SCDFT adalah susunan dalam ruang atom yang membentuk materi tertentu, meskipun beberapa perkiraan standar biasanya digunakan untuk menjaga agar waktu komputasi tetap dapat diatur.

Dengan menggunakan teknik ini, para peneliti menemukan bahwa sekumpulan fenomena semuanya bersatu untuk mempromosikan superkonduktivitas dalam merkuri. Perilaku yang mereka temukan termasuk efek korelasi yang tidak biasa pada struktur kristal material; koreksi relativistik pada struktur elektroniknya yang mengubah frekuensi fonon, yang merupakan getaran kisi kristal; dan renormalisasi anomali tolakan Coulomb residual antara elektron karena dataran rendah (sekitar 10 eV) d-negara.

Efek seperti itu dapat diabaikan di sebagian besar superkonduktor (konvensional), kata Profeta, tetapi tidak di merkuri. Efek penyaringan, khususnya, menghasilkan peningkatan 30% pada suhu kritis efektif elemen. “Dalam penelitian ini, kami menyadari bahwa meskipun merkuri telah dianggap sebagai sistem yang agak sederhana karena struktur dan kimianya yang tidak rumit, merkuri sebenarnya adalah salah satu superkonduktor paling kompleks yang pernah kami temui,” kata Profeta. Dunia Fisika.

Efek kopling spin-orbit penting

Setelah memperhitungkan semua faktor ini, para peneliti memperkirakan a T_c untuk merkuri yang berada dalam 2.5% dari nilai sebenarnya yang diukur secara eksperimental. Mereka juga menemukan bahwa jika efek relativistik seperti kopling spin-orbit (interaksi antara spin elektron dan orbitnya di sekitar inti atom) tidak dimasukkan dalam perhitungan, beberapa mode fonon menjadi tidak stabil, menunjukkan kecenderungan sistem untuk mendistorsi menjadi struktur yang kurang simetris. Efek seperti itu memainkan peran penting dalam menentukan suhu kritis merkuri. “Seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman kita sehari-hari, merkuri pada suhu kamar berada dalam keadaan logam cair yang agak tidak biasa, yang tercermin dalam mode fonon berenergi sangat rendah (tetapi tidak tidak stabil),” jelas Profeta. “Mendeskripsikan mode ini secara akurat membutuhkan perhatian khusus.”

Para peneliti mengklaim bahwa pekerjaan mereka, yang dirinci dalam Ulasan Fisik B, memiliki kepentingan sejarah. “Kami sekarang mengetahui mekanisme mikroskopis yang berperan dalam superkonduktor yang pertama kali ditemukan dan telah menentukan transisi fase superkonduktornya – informasi yang kurang untuk superkonduktor pertama yang ditemukan,” kata Profeta.

Pemahaman baru tentang superkonduktor tertua di dunia ini melalui pendekatan material-by-design hanya mungkin berkat perhitungan throughput yang tinggi, tambahnya. Perhitungan semacam itu mampu menyaring jutaan kombinasi material teoretis dan memilih yang bisa menjadi superkonduktor konvensional di dekat kondisi sekitar. Menemukan bahan superkonduktor suhu ruangan seperti itu akan sangat meningkatkan efisiensi generator listrik dan saluran transmisi, serta menyederhanakan aplikasi umum superkonduktivitas seperti magnet superkonduktor dalam akselerator partikel dan mesin MRI.

“Efek renormalisasi Coulomb yang aneh yang ditemukan dalam merkuri dapat dieksploitasi untuk merekayasa material baru, dengan densitas elektron dari profil keadaan yang mirip dengan merkuri, memberikan kenop tambahan untuk meningkatkan suhu kritis material,” kata Profeta. "Kami sekarang sedang menjajaki kemungkinan ini."