La superconduttività di Mercurio finalmente spiegata

Più di 100 anni fa, il fisico Heike Kamerlingh Onnes scoperto che il mercurio solido funge da superconduttore. Ora, per la prima volta, i fisici hanno una completa comprensione microscopica del motivo per cui è così. Utilizzando un moderno metodo computazionale basato sui principi primi, un team dell'Università dell'Aquila, in Italia, ha trovato diverse anomalie nelle proprietà elettroniche e reticolari del mercurio, tra cui un effetto di schermatura elettronica finora non descritto che promuove la superconduttività riducendo la repulsione tra le coppie di elettroni superconduttori. Il team ha anche determinato la temperatura teorica alla quale si verifica la transizione di fase superconduttiva del mercurio, informazioni precedentemente assenti dai libri di testo sulla materia condensata.

La superconduttività è la capacità di un materiale di condurre elettricità senza alcuna resistenza. Si osserva in molti materiali quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica T_c che segna il passaggio allo stato superconduttore. Nella teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) della superconduttività convenzionale, questa transizione si verifica quando gli elettroni superano la loro reciproca repulsione elettrica per formare le cosiddette "coppie di Cooper" che poi viaggiano senza ostacoli attraverso il materiale come una supercorrente.

Il mercurio solido divenne il primo superconduttore conosciuto nel 1911, quando Onnes raffreddò l'elemento alla temperatura dell'elio liquido. Sebbene in seguito sia stato classificato come un superconduttore convenzionale, il suo comportamento non è mai stato completamente spiegato, né è stata prevista la sua temperatura critica, una situazione che Gianna Profeta, che ha guidato il recente sforzo per riparare a questa svista, definisce “ironico”.

"Sebbene la sua temperatura critica sia estremamente bassa rispettoT_c materiali come i cuprati (ossidi di rame) e gli idruri ad alta pressione, il mercurio ha svolto un ruolo speciale nella storia della superconduttività, fungendo da importante punto di riferimento per le teorie fenomenologiche nei primi anni '1960 e '1970", afferma Profeta. "Questo è davvero ironico, che il mercurio, l'elemento in cui è stata segnalata la superconduttività per la prima volta, finora non era mai stato studiato dai moderni metodi dei principi primi per i superconduttori".

Non sono richiesti parametri empirici o semi-empirici

Nel loro lavoro, Profeta e colleghi sono partiti da un controfattuale: se Onnes non avesse scoperto la superconduttività nel mercurio nel 1911, gli scienziati potrebbero prevederne l'esistenza oggi utilizzando tecniche computazionali all'avanguardia? Per rispondere a questa domanda, hanno usato un approccio chiamato SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), che è considerato uno dei modi più accurati per descrivere le proprietà superconduttive dei materiali del mondo reale.

Negli approcci di principi primi come SCDFT, spiega Profeta, le equazioni fondamentali della meccanica quantistica che descrivono il comportamento dei nuclei e degli elettroni nei materiali sono risolte numericamente, senza introdurre alcun parametro empirico o addirittura semi-empirico. L'unica informazione richiesta da SCDFT è la disposizione nello spazio degli atomi che formano un dato materiale, sebbene di solito vengano impiegate alcune approssimazioni standard per mantenere gestibili i tempi di calcolo.

Usando questa tecnica, i ricercatori hanno scoperto che una panoplia di fenomeni si uniscono tutti per promuovere la superconduttività nel mercurio. I comportamenti che hanno scoperto includevano insoliti effetti di correlazione sulla struttura cristallina del materiale; correzioni relativistiche alla sua struttura elettronica che alterano le frequenze dei fononi, che sono vibrazioni del reticolo cristallino; e un'anomala rinormalizzazione della residua repulsione di Coulomb tra gli elettroni dovuta alla bassa (a circa 10 eV) d-stati.

Tali effetti potrebbero essere, e sono stati, trascurati nella maggior parte dei superconduttori (convenzionali), dice Profeta, ma non nel mercurio. L'effetto schermante, in particolare, produce un aumento del 30% della temperatura critica effettiva dell'elemento. «In questo studio, ci siamo resi conto che sebbene il mercurio sia stato considerato un sistema piuttosto semplice a causa della sua struttura e chimica semplici, in realtà è uno dei superconduttori più complessi che abbiamo incontrato», dice Profeta. Mondo della fisica.

Gli effetti dell'accoppiamento spin-orbita sono importanti

Dopo aver preso in considerazione tutti questi fattori, i ricercatori hanno previsto a T_c per il mercurio che era entro il 2.5% del valore effettivo misurato sperimentalmente. Hanno anche scoperto che se gli effetti relativistici come l'accoppiamento spin-orbita (l'interazione tra lo spin di un elettrone e la sua orbita attorno al nucleo atomico) non venivano inclusi nei calcoli, alcuni modi fononici diventavano instabili, indicando una tendenza del sistema a distorcere in una struttura meno simmetrica. Tali effetti giocano quindi un ruolo cruciale nel determinare la temperatura critica del mercurio. «Come dimostra la nostra esperienza quotidiana, il mercurio a temperatura ambiente si trova in uno stato di metallo liquido piuttosto insolito, che si riflette in modalità fononiche a bassissima energia (ma non instabili)», spiega Profeta. "Descrivere accuratamente queste modalità richiede un'attenzione speciale."

I ricercatori affermano che il loro lavoro, che è dettagliato in Revisione fisica B, è di importanza storica. "Ora conosciamo i meccanismi microscopici in gioco nel primo superconduttore mai scoperto e abbiamo determinato la sua transizione di fase superconduttiva, informazioni che mancavano per scoprire il primo superconduttore", afferma Profeta.

Questa nuova comprensione del superconduttore più antico del mondo, attraverso un approccio material-by-design, è stata possibile solo grazie a calcoli ad alto rendimento, aggiunge. Tali calcoli sono in grado di vagliare milioni di combinazioni di materiali teorici e di individuare quelli che potrebbero essere superconduttori convenzionali in condizioni vicine a quelle ambientali. Trovare tali materiali superconduttori a temperatura ambiente migliorerebbe notevolmente l'efficienza dei generatori elettrici e delle linee di trasmissione, oltre a semplificare le applicazioni comuni della superconduttività come i magneti superconduttori negli acceleratori di particelle e nelle macchine per la risonanza magnetica.

“I peculiari effetti di rinormalizzazione di Coulomb scoperti nel mercurio potrebbero essere sfruttati per progettare nuovi materiali, con una densità elettronica del profilo degli stati simile al mercurio, fornendo una manopola aggiuntiva per migliorare la temperatura critica dei materiali”, afferma Profeta. "Ora stiamo esplorando questa possibilità."