For mer enn 100 år siden, fysikeren Heike Kamerlingh Onnes oppdaget at fast kvikksølv fungerer som en superleder. Nå, for første gang, har fysikere en fullstendig mikroskopisk forståelse av hvorfor det er slik. Ved å bruke en moderne beregningsmetode med første prinsipper fant et team fra University of L'Aquila, Italia, flere anomalier i kvikksølvs elektroniske og gitteregenskaper, inkludert en hittil ubeskrevet elektronscreeningseffekt som fremmer superledning ved å redusere frastøting mellom par med superledende elektroner. Teamet bestemte også den teoretiske temperaturen der kvikksølvs superledende faseovergang skjer - informasjon som tidligere var fraværende fra lærebøker med kondensert materiale.
Superledning er et materiales evne til å lede elektrisitet uten motstand. Det observeres i mange materialer når de avkjøles under en kritisk temperatur Tc som markerer overgangen til den superledende tilstanden. I Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorien om konvensjonell superledning skjer denne overgangen når elektroner overvinner deres gjensidige elektriske frastøting for å danne såkalte "Cooper-par" som deretter beveger seg uhindret gjennom materialet som en superstrøm.
Fast kvikksølv ble den første kjente superlederen i 1911, da Onnes avkjølte grunnstoffet til flytende heliumtemperaturer. Mens den senere ble klassifisert som en konvensjonell superleder, ble dens oppførsel aldri fullstendig forklart, og dens kritiske temperatur ble heller ikke forutsagt - en situasjon som Gianna Profeta, som ledet den siste innsatsen for å reparere denne forglemmelsen, kaller "ironisk".
"Selv om den kritiske temperaturen er ekstremt lav sammenlignet med høy-Tc materialer som cuprates (kobberoksider) og høytrykkshydrider, kvikksølv har spilt en spesiell rolle i historien om superledning, og fungerte som en viktig målestokk for fenomenologiske teorier på begynnelsen av 1960- og 1970-tallet, sier Profeta. "Dette er faktisk ironisk at kvikksølv, elementet der superledning ble rapportert for første gang, så langt aldri har blitt studert av moderne førsteprinsippmetoder for superledere."
Ingen empiriske eller til og med semi-empiriske parametere kreves
I sitt arbeid begynte Profeta og kollegene med en kontrafaktisk: Hvis Onnes ikke hadde oppdaget superledning i kvikksølv i 1911, kunne forskere forutsi dets eksistens i dag ved å bruke avanserte beregningsteknikker? For å svare på dette spørsmålet brukte de en tilnærming kalt SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), som regnes som en av de mest nøyaktige måtene å beskrive de superledende egenskapene til virkelige materialer.
I første-prinsipper som SCDFT, forklarer Profeta, løses de grunnleggende kvantemekaniske ligningene som beskriver oppførselen til kjerner og elektroner i materialer numerisk, uten å introdusere noen empiriske eller til og med semi-empiriske parametere. Den eneste informasjonen som kreves av SCDFT er arrangementet i rommet av atomene som danner et gitt materiale, selv om noen standardtilnærminger vanligvis brukes for å holde beregningstider håndterbare.
Ved å bruke denne teknikken fant forskerne at en rekke fenomener alle kommer sammen for å fremme superledning i kvikksølv. Atferden de avdekket inkluderte uvanlige korrelasjonseffekter på materialets krystallstruktur; relativistiske korreksjoner til dens elektroniske struktur som endrer frekvensene til fononer, som er vibrasjoner av krystallgitteret; og en unormal renormalisering av den gjenværende Coulomb-frastøtingen mellom elektroner på grunn av lavtliggende (ved omtrent 10 eV) d-stater.
Slike effekter kan bli og ble neglisjert i de fleste (konvensjonelle) superledere, sier Profeta, men ikke i kvikksølv. Spesielt skjermingseffekten gir en 30 % økning i elementets effektive kritiske temperatur. "I denne studien innså vi at selv om kvikksølv har blitt ansett som et ganske enkelt system på grunn av dets ukompliserte struktur og kjemi, er det faktisk en av de mest komplekse superlederne vi har møtt," forteller Profeta Fysikkens verden.
Spin-bane-koblingseffekter er viktige
Etter å ha tatt alle disse faktorene i betraktning, spådde forskerne en Tc for kvikksølv som var innenfor 2.5 % av den faktiske eksperimentelt målte verdien. De fant også at hvis relativistiske effekter som spinn-bane-kobling (samspillet mellom spinnet til et elektron og dets bane rundt atomkjernen) ikke ble inkludert i beregningene, ble noen fononmoduser ustabile, noe som indikerer en tendens til at systemet forvrenges til en mindre symmetrisk struktur. Slike effekter spiller dermed en avgjørende rolle for å bestemme kvikksølvs kritiske temperatur. "Som vår daglige erfaring viser, er kvikksølv ved romtemperatur i en ganske uvanlig flytende metalltilstand, noe som gjenspeiles i svært lavenergi- (men ikke ustabile) fononmoduser," forklarer Profeta. "Å beskrive disse modusene nøyaktig krever spesiell forsiktighet."
Feire hundreårsdagen for superledning...
Forskerne hevder at deres arbeid, som er detaljert i Fysisk gjennomgang B, er av historisk betydning. "Vi kjenner nå de mikroskopiske mekanismene som er i bruk i den første oppdagede superlederen og har bestemt dens superledende faseovergang - informasjon som manglet for den første superlederen som ble oppdaget," sier Profeta.
Denne nye forståelsen av verdens eldste superleder, selv om en material-by-design-tilnærming var bare mulig takket være high-throughput-beregninger, legger han til. Slike beregninger er i stand til å screene millioner av teoretiske materialkombinasjoner og plukke ut de som kan være konvensjonelle superledere ved nær omgivelsesforhold. Å finne slike superledende materialer i romtemperatur vil i stor grad forbedre effektiviteten til elektriske generatorer og overføringslinjer, samt forenkle vanlige anvendelser av superledning som superledende magneter i partikkelakseleratorer og MR-maskiner.
"De særegne Coulomb-renormaliseringseffektene oppdaget i kvikksølv kan utnyttes til å konstruere nye materialer, med en elektronisk tetthetsprofil som ligner på kvikksølv, og gir en ekstra knott for å øke den kritiske temperaturen til materialer," sier Profeta. – Vi undersøker nå denne muligheten.
