לפני יותר מ-100 שנה, הפיזיקאי הייקי קמרלינג אונס גילה שכספית מוצקה פועלת כמוליך-על. כעת, לראשונה, לפיסיקאים יש הבנה מיקרוסקופית מלאה מדוע זה כך. באמצעות שיטת חישוב מודרנית של עקרונות ראשונים, צוות מאוניברסיטת ל'אקילה, איטליה, מצא מספר חריגות בתכונות האלקטרוניות והסריג של כספית, כולל אפקט סינון אלקטרוני שלא תואר עד כה, המקדם מוליכות-על על ידי הפחתת הדחייה בין זוגות אלקטרונים מוליכים-על. הצוות גם קבע את הטמפרטורה התיאורטית שבה מתרחש מעבר השלב המוליך-על של כספית - מידע שהיה נעדר בעבר מספרי חומר מעובה.
מוליכות-על היא היכולת של חומר להוליך חשמל ללא כל התנגדות. זה נצפה בחומרים רבים כאשר הם מקוררים מתחת לטמפרטורה קריטית Tc שמסמן את המעבר למצב מוליך-על. בתיאוריית ברדין-קופר-שריפר (BCS) של מוליכות-על קונבנציונלית, מעבר זה מתרחש כאשר אלקטרונים מתגברים על הדחייה החשמלית ההדדית שלהם ויוצרים מה שנקרא "זוגות קופר" אשר עוברים באין מפריע דרך החומר כעל זרם-על.
כספית מוצקה הפכה למוליך העל הידוע הראשון בשנת 1911, כאשר אונס קירר את היסוד לטמפרטורות הליום נוזלי. בעוד שהוא סווג מאוחר יותר כמוליך-על קונבנציונלי, התנהגותו מעולם לא הוסברה במלואה, וגם לא חזויה הטמפרטורה הקריטית שלו - מצב ג'יאנה פרופטה, שהוביל את המאמץ האחרון לתקן את הפיקוח הזה, מכנה "אירוני".
"בעוד שהטמפרטורה הקריטית שלו נמוכה מאוד בהשוואה לגובהTc חומרים כמו קופרטים (תחמוצות נחושת) והידרידים בלחץ גבוה, כספית מילאה תפקיד מיוחד בהיסטוריה של מוליכות-על, שימשה מדד חשוב לתיאוריות פנומנולוגיות בתחילת שנות ה-1960 וה-1970", אומר פרופטה. "זה אכן אירוני, שכספית, היסוד שבו דווח על מוליכות-על בפעם הראשונה, מעולם לא נחקרה עד כה בשיטות מודרניות של עקרונות ראשונים עבור מוליכים".
אין צורך בפרמטרים אמפיריים או אפילו חצי אמפיריים
בעבודתם, פרופטה ועמיתיו התחילו בעובדה נגדית: אם אונס לא גילה מוליכות-על בכספית ב-1911, האם מדענים יכולים לחזות את קיומה כיום באמצעות טכניקות חישוב מתקדמות? כדי לענות על שאלה זו, הם השתמשו בגישה הנקראת SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), הנחשבת לאחת הדרכים המדויקות ביותר לתיאור תכונות המוליכות העל של חומרים בעולם האמיתי.
בגישות העקרונות הראשונות כמו SCDFT, מסביר פרופטה, משוואות מכניקת הקוונטים הבסיסיות המתארות את התנהגות הגרעינים והאלקטרונים בחומרים נפתרות באופן מספרי, מבלי להציג פרמטרים אמפיריים או אפילו סמי-אמפיריים. המידע היחיד הנדרש על ידי SCDFT הוא הסידור במרחב של האטומים היוצרים חומר נתון, אם כי בדרך כלל משתמשים בקירוב סטנדרטי כדי לשמור על זמני חישוב ניתנים לניהול.
באמצעות טכניקה זו, החוקרים מצאו שמגוון של תופעות חוברות כולן כדי לקדם מוליכות-על בכספית. ההתנהגויות שהם חשפו כללו השפעות מתאם חריגות על מבנה הגבישי של החומר; תיקונים רלטיביסטיים למבנה האלקטרוני שלו שמשנים את התדרים של הפונונים, שהם תנודות של סריג הגביש; ורנורמליזציה חריגה של דחיית הקולומב השיורית בין אלקטרונים עקב שכבה נמוכה (בערך 10 eV) d-מדינות.
השפעות כאלה יכולות להיות, והיו, מוזנחות ברוב מוליכי העל (הרגילים), אומר פרופטה, אבל לא בכספית. אפקט ההקרנה, בפרט, מייצר עלייה של 30% בטמפרטורה הקריטית היעילה של האלמנט. "במחקר הזה, הבנו שלמרות שכספית נחשבה למערכת פשוטה למדי בגלל המבנה והכימיה הלא מסובכים שלה, היא למעשה אחד ממוליכי העל המורכבים ביותר שנתקלנו בהם", אומר פרופטה. עולם הפיזיקה.
השפעות צימוד ספין-מסלול חשובות
לאחר שלקחו בחשבון את כל הגורמים הללו, החוקרים חזו א Tc עבור כספית שהייתה בטווח של 2.5% מהערך בפועל שנמדד בניסוי. הם גם מצאו שאם השפעות רלטיביסטיות כמו צימוד ספין-מסלול (האינטראקציה בין ספין של אלקטרון למסלולו סביב גרעין האטום) לא נכללו בחישובים, חלק ממצבי פונון הפכו ללא יציבים, מה שמצביע על נטייה של המערכת ל מעוות למבנה פחות סימטרי. השפעות כאלה ממלאות אפוא תפקיד מכריע בקביעת הטמפרטורה הקריטית של כספית. "כפי שמראה הניסיון היומיומי שלנו, כספית בטמפרטורת החדר נמצאת במצב מתכת נוזלי יוצא דופן למדי, שמתבטא במצבי פונון בעלי אנרגיה נמוכה מאוד (אך לא לא יציבים), " מסביר פרופטה. "תיאור המצבים הללו במדויק דורש טיפול מיוחד."
חוגגים מאה שנה למוליכות-על...
החוקרים טוענים כי עבודתם, המפורטת ב סקירה פיזית ב, הוא בעל חשיבות היסטורית. "אנו מכירים כעת את המנגנונים המיקרוסקופיים המופעלים במוליך-העל הראשון שהתגלה אי פעם וקבענו את מעבר הפאזה המוליך שלו - מידע שהיה חסר עבור המוליך-העל הראשון אי פעם שהתגלה", אומר פרופטה.
ההבנה החדשה הזו של מוליך-העל הוותיק בעולם, על אף גישה של חומר לפי עיצוב, הייתה אפשרית רק הודות לחישובים בתפוקה גבוהה, הוא מוסיף. חישובים כאלה מסוגלים לסנן מיליוני שילובי חומרים תיאורטיים ולבחור את אלו שיכולים להיות מוליכים קונבנציונליים בתנאי סביבה קרובים. מציאת חומרים מוליכי-על כאלה בטמפרטורת החדר תשפר במידה ניכרת את היעילות של גנרטורים חשמליים וקווי תמסורת, כמו גם לפשט יישומים נפוצים של מוליכות-על כמו מגנטים מוליכים-על במאיצי חלקיקים ומכונות MRI.
"אפשר לנצל את השפעות הרנורמליזציה המוזרות של קולומב שהתגלו בכספית כדי להנדס חומרים חדשים, עם פרופיל צפיפות אלקטרוני של מצבים הדומה לכספית, המספקים כפתור נוסף להגברת הטמפרטורה הקריטית של חומרים", אומר פרופטה. "אנחנו בוחנים כעת את האפשרות הזו."
