100년 전에 물리학자는 하이케 카멜링 온네스 고체 수은이 초전도체 역할을 한다는 사실을 발견했습니다. 이제 처음으로 물리학자들은 이것이 왜 그런지에 대한 완전한 미시적 이해를 갖게 되었습니다. 이탈리아 라퀼라 대학교(University of L'Aquila)의 팀은 최신 제XNUMX원리 계산 방법을 사용하여 초전도 전자 쌍 사이의 반발력을 줄임으로써 초전도성을 촉진하는 지금까지 설명되지 않은 전자 스크리닝 효과를 포함하여 수은의 전자 및 격자 특성에서 몇 가지 이상 현상을 발견했습니다. 연구팀은 또한 수은의 초전도 상전이가 발생하는 이론적 온도를 결정했는데, 이는 이전에 응축 물질 교과서에 없었던 정보입니다.
초전도성은 물질이 저항 없이 전기를 전도하는 능력입니다. 임계 온도 이하로 냉각될 때 많은 재료에서 관찰됩니다. Tc 초전도 상태로의 전환을 표시합니다. 기존의 초전도성에 대한 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론에서 이러한 전이는 전자가 상호 전기적 반발력을 극복하여 소위 "쿠퍼 쌍"을 형성한 다음 방해받지 않고 초전류로 물질을 통과할 때 발생합니다.
고체 수은은 1911년 Onnes가 요소를 액체 헬륨 온도로 냉각했을 때 처음으로 알려진 초전도체가 되었습니다. 나중에 기존의 초전도체로 분류되었지만 그 동작은 완전히 설명되지 않았으며 임계 온도도 예측되지 않았습니다. 지안나 프로페타최근 이러한 실수를 바로잡기 위한 노력을 주도한 는 "아이러니하다"고 말합니다.
“임계 온도는 고온에 비해 매우 낮지만Tc 큐프레이트(구리 산화물) 및 고압 수소화물과 같은 재료인 수은은 초전도성의 역사에서 특별한 역할을 했으며 1960년대 초반과 1970년대 초 현상학 이론의 중요한 벤치마크 역할을 했습니다.”라고 Profeta는 말합니다. "초전도성이 처음으로 보고된 원소인 수은이 지금까지 초전도체에 대한 현대 제XNUMX원리 방법으로 연구된 적이 없다는 것은 참으로 아이러니합니다."
경험적 또는 반 경험적 매개 변수가 필요하지 않습니다.
그들의 작업에서 Profeta와 동료들은 반사실적 사실로 시작했습니다. Onnes가 1911년에 수은에서 초전도성을 발견하지 않았다면 과학자들은 최첨단 계산 기술을 사용하여 오늘날 그 존재를 예측할 수 있었을까요? 이 질문에 답하기 위해 그들은 실제 물질의 초전도 특성을 설명하는 가장 정확한 방법 중 하나로 간주되는 SCDFT(SuperConducting Density Functional Theory)라는 접근 방식을 사용했습니다.
Profeta는 SCDFT와 같은 제XNUMX원리 접근 방식에서 재료의 핵과 전자의 거동을 설명하는 기본 양자 역학 방정식이 경험적 또는 반경험적 매개변수를 도입하지 않고 수치적으로 해결된다고 설명합니다. SCDFT에 필요한 유일한 정보는 주어진 물질을 형성하는 원자의 공간 배열이지만 일반적으로 계산 시간을 관리하기 위해 일부 표준 근사치가 사용됩니다.
이 기술을 사용하여 연구원들은 수은에서 초전도성을 촉진하기 위해 모든 현상이 함께 모인다는 것을 발견했습니다. 그들이 발견한 거동에는 물질의 결정 구조에 대한 특이한 상관 관계 효과가 포함됩니다. 결정 격자의 진동인 포논의 주파수를 변경하는 전자 구조에 대한 상대론적 수정; 낮은 위치(약 10eV에서)로 인한 전자 사이의 잔류 쿨롱 반발의 비정상적 재정규화 d-상태.
그러한 효과는 대부분의 (기존의) 초전도체에서는 무시될 수 있지만 수은에서는 그렇지 않다고 Profeta는 말합니다. 특히 스크리닝 효과는 요소의 유효 임계 온도를 30% 증가시킵니다. "이 연구에서 우리는 수은이 그 구조와 화학이 복잡하지 않기 때문에 다소 단순한 시스템으로 간주되었지만 실제로는 우리가 만난 가장 복잡한 초전도체 중 하나라는 것을 깨달았습니다."라고 Profeta는 말합니다. 물리 세계.
스핀 궤도 결합 효과가 중요합니다.
이러한 모든 요소를 고려한 후 연구원들은 다음을 예측했습니다. Tc 실제 실험적으로 측정된 값의 2.5% 이내인 수은의 경우. 그들은 또한 스핀-궤도 결합(전자의 스핀과 원자핵 주위의 전자 궤도 사이의 상호 작용)과 같은 상대론적 효과가 계산에 포함되지 않으면 일부 포논 모드가 불안정해져 시스템이 덜 대칭적인 구조로 왜곡됩니다. 따라서 이러한 효과는 수은의 임계 온도를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. "우리의 일상적인 경험에서 알 수 있듯이 실온의 수은은 다소 특이한 액체 금속 상태에 있으며, 이는 매우 낮은 에너지(그러나 불안정하지는 않음) 포논 모드에 반영됩니다."라고 Profeta는 설명합니다. "이러한 모드를 정확하게 설명하려면 특별한 주의가 필요합니다."
초전도 XNUMX주년 기념…
연구원들은 자신의 작업이 다음에서 자세히 설명되어 있다고 주장합니다. 물리적 검토 B, 역사적으로 중요합니다. Profeta는 "우리는 이제 처음으로 발견된 초전도체의 미세한 메커니즘을 알고 초전도 상전이를 결정했습니다. 이는 최초의 초전도체가 발견되지 않은 정보입니다."라고 말합니다.
세계에서 가장 오래된 초전도체에 대한 이러한 새로운 이해는 높은 처리량 계산 덕분에 가능했다고 덧붙였습니다. 이러한 계산은 수백만 개의 이론적 재료 조합을 스크리닝하고 주변 조건에 가까운 기존 초전도체가 될 수 있는 것을 선택할 수 있습니다. 이러한 상온 초전도 재료를 찾는 것은 전기 발전기 및 전송선의 효율성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 입자 가속기 및 MRI 기계의 초전도 자석과 같은 초전도의 일반적인 응용을 단순화합니다.
Profeta는 "수은에서 발견된 독특한 쿨롱 재정규화 효과는 수은과 유사한 전자 상태 밀도 프로필을 가진 새로운 물질을 설계하는 데 활용될 수 있으며 물질의 임계 온도를 향상시키는 추가 노브를 제공합니다."라고 말합니다. "우리는 지금 이 가능성을 탐색하고 있습니다."
