Nadprzewodnictwo Merkurego wreszcie wyjaśnione

Ponad 100 lat temu fizyk Heike Kamerlingh Onnes odkrył, że stała rtęć działa jak nadprzewodnik. Teraz, po raz pierwszy, fizycy mają pełne mikroskopowe zrozumienie, dlaczego tak jest. Korzystając z nowoczesnej metody obliczeniowej opartej na podstawowych zasadach, zespół z Uniwersytetu w L'Aquila we Włoszech odkrył kilka anomalii we właściwościach elektronowych i sieciowych rtęci, w tym dotychczas nieopisany efekt ekranowania elektronów, który promuje nadprzewodnictwo poprzez zmniejszenie odpychania między parami nadprzewodzących elektronów. Zespół ustalił również teoretyczną temperaturę, w której zachodzi nadprzewodnikowe przejście fazowe rtęci – informacje, których wcześniej nie było w podręcznikach dotyczących skondensowanej materii.

Nadprzewodnictwo to zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego bez żadnego oporu. Obserwuje się to w wielu materiałach, gdy są one schładzane poniżej temperatury krytycznej T_c oznacza przejście do stanu nadprzewodzącego. W teorii konwencjonalnego nadprzewodnictwa Bardeena-Coopera-Schrieffera (BCS) przejście to następuje, gdy elektrony pokonują swoje wzajemne odpychanie elektryczne, tworząc tak zwane „pary Coopera”, które następnie przemieszczają się bez przeszkód przez materiał jako nadprąd.

Stała rtęć stała się pierwszym znanym nadprzewodnikiem w 1911 roku, kiedy Onnes schłodził element do temperatury ciekłego helu. Chociaż później został sklasyfikowany jako konwencjonalny nadprzewodnik, jego zachowanie nigdy nie zostało w pełni wyjaśnione, ani nie przewidziano jego temperatury krytycznej – sytuacja, która Gianna Profeta, który kierował ostatnimi wysiłkami mającymi na celu naprawienie tego przeoczenia, nazywa „ironicznym”.

„Chociaż jego temperatura krytyczna jest wyjątkowo niska w porównaniu z wysoko-T_c materiałów, takich jak miedziany (tlenki miedzi) i wysokociśnieniowe wodorki, rtęć odegrała szczególną rolę w historii nadprzewodnictwa, służąc jako ważny punkt odniesienia dla teorii fenomenologicznych na początku lat 1960. „To rzeczywiście ironiczne, że rtęć, pierwiastek, w którym po raz pierwszy stwierdzono nadprzewodnictwo, do tej pory nigdy nie była badana nowoczesnymi metodami nadprzewodników”.

Nie są wymagane parametry empiryczne ani nawet półempiryczne

W swojej pracy Profeta i współpracownicy rozpoczęli od scenariusza alternatywnego: gdyby Onnes nie odkrył nadprzewodnictwa w rtęci w 1911 r., czy naukowcy mogliby przewidzieć jego istnienie dzisiaj przy użyciu najnowocześniejszych technik obliczeniowych? Aby odpowiedzieć na to pytanie, wykorzystali podejście zwane SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), które jest uważane za jeden z najdokładniejszych sposobów opisywania właściwości nadprzewodzących rzeczywistych materiałów.

Profeta wyjaśnia, że ​​w podejściach opartych na pierwszych zasadach, takich jak SCDFT, podstawowe równania mechaniki kwantowej opisujące zachowanie jąder i elektronów w materiałach są rozwiązywane numerycznie, bez wprowadzania jakichkolwiek parametrów empirycznych lub nawet półempirycznych. Jedyną informacją wymaganą przez SCDFT jest rozmieszczenie w przestrzeni atomów tworzących dany materiał, chociaż zwykle stosuje się pewne standardowe przybliżenia, aby utrzymać możliwe czasy obliczeń.

Korzystając z tej techniki, naukowcy odkryli, że wszystkie zjawiska łączą się, aby promować nadprzewodnictwo w rtęci. Zachowania, które odkryli, obejmowały niezwykłe efekty korelacji w strukturze krystalicznej materiału; relatywistyczne poprawki do jego struktury elektronowej, które zmieniają częstotliwości fononów, które są wibracjami sieci krystalicznej; i anomalna renormalizacja resztkowego odpychania kulombowskiego między elektronami z powodu nisko położonego (przy około 10 eV) d-stany.

Profeta mówi, że takie efekty mogły być i były pomijane w większości (konwencjonalnych) nadprzewodników, ale nie w rtęci. W szczególności efekt ekranowania powoduje 30% wzrost efektywnej temperatury krytycznej elementu. „W tym badaniu zdaliśmy sobie sprawę, że chociaż rtęć była uważana za raczej prosty układ ze względu na jej nieskomplikowaną strukturę i skład chemiczny, w rzeczywistości jest to jeden z najbardziej złożonych nadprzewodników, z jakimi się zetknęliśmy” — mówi Profeta Świat Fizyki.

Efekty sprzężenia spin-orbita są ważne

Po uwzględnieniu wszystkich tych czynników naukowcy przewidzieli a T_c dla rtęci, która mieściła się w granicach 2.5% rzeczywistej wartości zmierzonej eksperymentalnie. Odkryli również, że jeśli w obliczeniach nie uwzględniono efektów relatywistycznych, takich jak sprzężenie spin-orbita (interakcja między spinem elektronu a jego orbitą wokół jądra atomowego), niektóre mody fononowe stały się niestabilne, co wskazuje na tendencję systemu do zniekształcić w mniej symetryczną strukturę. Takie efekty odgrywają zatem kluczową rolę w określaniu temperatury krytycznej rtęci. „Jak pokazuje nasze codzienne doświadczenie, rtęć w temperaturze pokojowej znajduje się w dość nietypowym stanie ciekłego metalu, co znajduje odzwierciedlenie w bardzo niskoenergetycznych (ale nie niestabilnych) modach fononowych”, wyjaśnia Profeta. „Dokładne opisanie tych trybów wymaga szczególnej uwagi”.

Naukowcy twierdzą, że ich praca, szczegółowo opisana w Przegląd fizyczny B., ma znaczenie historyczne. „Teraz znamy mikroskopijne mechanizmy działające w pierwszym odkrytym nadprzewodniku i określiliśmy jego nadprzewodnikowe przejście fazowe – informacje, których brakowało do odkrycia pierwszego nadprzewodnika” – mówi Profeta.

Dodaje, że to nowe zrozumienie najstarszego na świecie nadprzewodnika, dzięki podejściu opartemu na materiałach na etapie projektowania, było możliwe tylko dzięki wysokowydajnym obliczeniom. Takie obliczenia są w stanie przeszukać miliony teoretycznych kombinacji materiałów i wybrać te, które mogą być konwencjonalnymi nadprzewodnikami w warunkach zbliżonych do otoczenia. Znalezienie takich materiałów nadprzewodzących w temperaturze pokojowej znacznie poprawiłoby wydajność generatorów elektrycznych i linii przesyłowych, a także uprościłoby typowe zastosowania nadprzewodnictwa, takie jak magnesy nadprzewodzące w akceleratorach cząstek i maszynach MRI.

„Specyficzne efekty renormalizacji kulombowskiej odkryte w rtęci można wykorzystać do konstruowania nowych materiałów, z gęstością elektronową stanów zbliżoną do rtęci, zapewniając dodatkowe pokrętło do zwiększenia krytycznej temperatury materiałów” – mówi Profeta. „Teraz badamy tę możliwość”.