100年以上前の物理学者 平家カメルリン・オンネス 固体水銀が超伝導体として機能することを発見しました。 現在、物理学者は初めて、なぜそうなのかを微視的に完全に理解しています。 最新の第一原理計算法を使用して、イタリアのラクイラ大学のチームは、水銀の電子特性と格子特性にいくつかの異常を発見しました。これには、超伝導電子のペア間の反発を減らすことによって超伝導を促進する、これまでに説明されていない電子スクリーニング効果が含まれます。 チームはまた、水銀の超伝導相転移が起こる理論上の温度を決定しました。この情報は、以前は凝縮物質の教科書にはありませんでした。
超電導とは、物質が抵抗なく電気を通す能力のことです。 臨界温度以下に冷却されると、多くの材料で観察されます Tc 超伝導状態への移行を示します。 従来の超伝導の Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理論では、この遷移は、電子が相互の電気的反発に打ち勝ち、いわゆる「クーパー対」を形成したときに発生します。
固体水銀は、オンネスが要素を液体ヘリウム温度に冷却した1911年に最初に知られている超伝導体になりました. 後に従来の超伝導体として分類されましたが、その挙動は完全には説明されておらず、臨界温度も予測されていませんでした。 ジャンナ・プロフェタこの見落としを修復するための最近の取り組みを主導した は、「皮肉」と呼んでいます。
「その臨界温度は高温に比べて非常に低いですが、Tc 銅酸化物 (酸化銅) や高圧水素化物などの材料と同様に、水銀は超伝導の歴史において特別な役割を果たし、1960 年代初期と 1970 年代の現象論理論の重要なベンチマークとして機能してきました」と Profeta は言います。 「これは実に皮肉なことです。超伝導が初めて報告された元素である水銀は、これまで超伝導体の最新の第一原理法によって研究されたことはありませんでした。」
経験的または半経験的なパラメータは必要ありません
1911 年に Onnes が水銀の超伝導を発見していなかった場合、科学者は最先端の計算技術を使用して今日その存在を予測できたでしょうか? この質問に答えるために、彼らは超伝導密度汎関数理論 (SCDFT) と呼ばれるアプローチを使用しました。これは、現実世界の物質の超伝導特性を記述する最も正確な方法の XNUMX つと考えられています。
SCDFT のような第一原理アプローチでは、物質内の原子核と電子の挙動を記述する基本的な量子力学方程式が、経験的または半経験的なパラメーターを導入することなく、数値的に解かれていると Profeta は説明します。 SCDFT が必要とする唯一の情報は、与えられた物質を形成する原子の空間内の配置ですが、通常、計算時間を管理しやすくするためにいくつかの標準近似が使用されます。
この技術を使用して、研究者は、水銀の超伝導を促進するためにすべての現象が集まっていることを発見しました。 彼らが明らかにした挙動には、材料の結晶構造に対する異常な相関効果が含まれていました。 結晶格子の振動であるフォノンの周波数を変更する、その電子構造に対する相対論的補正。 低位置 (約 10 eV) による電子間の残留クーロン斥力の異常なくりこみ d-状態。
このような効果は、ほとんどの（従来の）超伝導体では無視される可能性があり、無視されていたが、水銀では無視されていたとプロフェタは言う. 特に、遮蔽効果により、要素の実効臨界温度が 30% 増加します。 「この研究では、水銀はその構造と化学が複雑でないため、かなり単純な系であると考えられてきましたが、実際には、これまでに遭遇した中で最も複雑な超伝導体の XNUMX つであることに気付きました」と Profeta は語っています。 物理学の世界.
スピン軌道結合効果が重要
これらすべての要因を考慮した後、研究者は次のことを予測しました。 Tc 実際の実験で測定された値の 2.5% 以内だった水銀のため。 彼らはまた、スピン軌道結合 (電子のスピンと原子核の周りのその軌道との間の相互作用) などの相対論的効果が計算に含まれていない場合、一部のフォノン モードが不安定になることも発見しました。対称性の低い構造に変形します。 したがって、このような効果は、水銀の臨界温度を決定する上で重要な役割を果たします。 「私たちの日常の経験が示すように、室温の水銀はかなり珍しい液体金属状態にあり、これは非常に低エネルギーの (しかし不安定ではない) フォノン モードに反映されています」と Profeta は説明します。 「これらのモードを正確に説明するには、特別な注意が必要です。」
超電導の XNUMX 周年を祝う…
研究者は、彼らの研究は、 身体的評価B、歴史的に重要です。 「私たちは今、初めて発見された超伝導体の微視的メカニズムを知り、その超伝導相転移を特定しました。これは、初めて発見された超伝導体には欠けていた情報です」とプロフェタは言います。
マテリアル・バイ・デザインのアプローチによる世界最古の超伝導体のこの新しい理解は、ハイスループット計算のおかげでのみ可能になったと彼は付け加えた. このような計算により、何百万もの理論的な材料の組み合わせをスクリーニングし、周囲条件に近い条件で従来の超伝導体になる可能性のあるものを選択することができます。 このような室温超伝導材料が見つかれば、発電機や送電線の効率が大幅に向上するだけでなく、粒子加速器や MRI 装置の超伝導磁石などの超伝導の一般的な用途が簡素化されます。
「水銀で発見された独特のクーロンくりこみ効果は、水銀に似た電子状態密度プロファイルを備えた新しい材料を設計するために利用でき、材料の臨界温度を高めるための追加のノブを提供します」とプロフェタは言います。 「私たちは現在、この可能性を探っています。」
