Mercurius' supergeleiding eindelijk verklaard

Meer dan 100 jaar geleden, de natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes ontdekte dat vast kwik werkt als een supergeleider. Nu hebben natuurkundigen voor het eerst een volledig microscopisch begrip van waarom dit zo is. Een team van de Universiteit van L'Aquila, Italië, heeft met behulp van een moderne eerste-principes-rekenmethode verschillende anomalieën gevonden in de elektronische en roostereigenschappen van kwik, waaronder een tot nu toe onbeschreven elektronenafschermingseffect dat supergeleiding bevordert door afstoting tussen paren supergeleidende elektronen te verminderen. Het team bepaalde ook de theoretische temperatuur waarbij de supergeleidende faseovergang van kwik plaatsvindt - informatie die voorheen ontbrak in handboeken over gecondenseerde materie.

Supergeleiding is het vermogen van een materiaal om elektriciteit te geleiden zonder enige weerstand. Het wordt in veel materialen waargenomen wanneer ze worden afgekoeld tot onder een kritische temperatuur T_c dat markeert de overgang naar de supergeleidende toestand. In de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theorie van conventionele supergeleiding vindt deze overgang plaats wanneer elektronen hun wederzijdse elektrische afstoting overwinnen om zogenaamde "Cooper-paren" te vormen die vervolgens ongehinderd door het materiaal gaan als een superstroom.

Vast kwik werd de eerste bekende supergeleider in 1911, toen Onnes het element afkoelde tot vloeibare heliumtemperaturen. Hoewel het later werd geclassificeerd als een conventionele supergeleider, werd zijn gedrag nooit volledig verklaard, noch werd zijn kritieke temperatuur voorspeld - een situatie die Gianna Profeta, die de recente poging leidde om dit verzuim te herstellen, noemt het "ironisch".

“Hoewel de kritische temperatuur extreem laag is in vergelijking metT_c materialen zoals de cuprates (koperoxiden) en hogedrukhydriden, heeft kwik een speciale rol gespeeld in de geschiedenis van supergeleiding, en diende het als een belangrijke maatstaf voor fenomenologische theorieën in de vroege jaren zestig en zeventig, "zegt Profeta. "Dit is inderdaad ironisch, dat kwik, het element waarin supergeleiding voor het eerst werd gerapporteerd, tot nu toe nooit was bestudeerd met moderne eerste-principes-methoden voor supergeleiders."

Er zijn geen empirische of zelfs semi-empirische parameters vereist

In hun werk begonnen Profeta en collega's met een contrafeitelijk feit: als Onnes in 1911 geen supergeleiding in kwik had ontdekt, zouden wetenschappers het bestaan ​​ervan vandaag kunnen voorspellen met behulp van de modernste computationele technieken? Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten ze een benadering genaamd SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), die wordt beschouwd als een van de meest nauwkeurige manieren om de supergeleidende eigenschappen van echte materialen te beschrijven.

In eerste-principebenaderingen zoals SCDFT, legt Profeta uit, worden de fundamentele kwantummechanische vergelijkingen die het gedrag van kernen en elektronen in materialen beschrijven, numeriek opgelost, zonder enige empirische of zelfs semi-empirische parameters te introduceren. De enige informatie die SCDFT nodig heeft, is de opstelling in de ruimte van de atomen die een bepaald materiaal vormen, hoewel er meestal enkele standaardbenaderingen worden gebruikt om de rekentijden beheersbaar te houden.

Met behulp van deze techniek ontdekten de onderzoekers dat een hele reeks fenomenen allemaal samenkomen om supergeleiding in kwik te bevorderen. Het gedrag dat ze ontdekten, omvatte ongebruikelijke correlatie-effecten op de kristalstructuur van het materiaal; relativistische correcties op de elektronische structuur die de frequenties van fononen, die trillingen van het kristalrooster zijn, veranderen; en een abnormale renormalisatie van de resterende Coulomb-afstoting tussen elektronen als gevolg van laaggelegen (ongeveer 10 eV) d-staten.

Dergelijke effecten konden en werden verwaarloosd in de meeste (conventionele) supergeleiders, zegt Profeta, maar niet in kwik. Vooral het afschermende effect zorgt voor een verhoging van 30% van de effectieve kritische temperatuur van het element. "In deze studie realiseerden we ons dat hoewel kwik werd beschouwd als een vrij eenvoudig systeem vanwege zijn ongecompliceerde structuur en chemie, het in feite een van de meest complexe supergeleiders is die we zijn tegengekomen", vertelt Profeta. Natuurkunde wereld.

Spin-orbit-koppelingseffecten zijn belangrijk

Na rekening te hebben gehouden met al deze factoren, voorspelden de onderzoekers a T_c voor kwik dat binnen 2.5% van de werkelijk experimenteel gemeten waarde lag. Ze ontdekten ook dat als relativistische effecten zoals spin-baankoppeling (de interactie tussen de spin van een elektron en zijn baan rond de atoomkern) niet in de berekeningen werden meegenomen, sommige fononmodi onstabiel werden, wat wijst op een neiging van het systeem om vervormen tot een minder symmetrische structuur. Dergelijke effecten spelen dus een cruciale rol bij het bepalen van de kritische temperatuur van kwik. "Zoals onze dagelijkse ervaring laat zien, bevindt kwik zich bij kamertemperatuur in een nogal ongebruikelijke toestand van vloeibaar metaal, wat wordt weerspiegeld in zeer energiezuinige (maar niet onstabiele) fononmodi", legt Profeta uit. "Het nauwkeurig beschrijven van deze modi vereist speciale zorg."

De onderzoekers beweren dat hun werk, dat wordt beschreven in Fysieke beoordeling B, is van historisch belang. "We kennen nu de microscopische mechanismen die een rol spelen in de allereerste ontdekte supergeleider en hebben de supergeleidende faseovergang bepaald - informatie die ontbrak voor de allereerste ontdekte supergeleider", zegt Profeta.

Dit nieuwe begrip van 's werelds oudste supergeleider, hoewel een material-by-design-benadering, was alleen mogelijk dankzij high-throughput-berekeningen, voegt hij eraan toe. Dergelijke berekeningen zijn in staat om miljoenen theoretische materiaalcombinaties te screenen en die eruit te pikken die conventionele supergeleiders zouden kunnen zijn bij bijna omgevingsomstandigheden. Het vinden van dergelijke supergeleidende materialen op kamertemperatuur zou de efficiëntie van elektrische generatoren en transmissielijnen enorm verbeteren, en algemene toepassingen van supergeleiding vereenvoudigen, zoals supergeleidende magneten in deeltjesversnellers en MRI-machines.

"De eigenaardige Coulomb-renormalisatie-effecten die in kwik zijn ontdekt, kunnen worden benut om nieuwe materialen te ontwikkelen, met een profiel van elektronische toestandsdichtheid vergelijkbaar met kwik, wat een extra knop biedt om de kritische temperatuur van materialen te verbeteren", zegt Profeta. "Die mogelijkheid zijn we nu aan het onderzoeken."