Supraconductivitatea lui Mercur sa explicat în cele din urmă

Cu mai bine de 100 de ani în urmă, fizicianul Heike Kamerlingh Onnes a descoperit că mercurul solid acționează ca un supraconductor. Acum, pentru prima dată, fizicienii au o înțelegere microscopică completă a motivului pentru care este așa. Folosind o metodă modernă de calcul bazată pe principiile inițiale, o echipă de la Universitatea din L'Aquila, Italia, a descoperit mai multe anomalii în proprietățile electronice și ale rețelei mercurului, inclusiv un efect de ecranare a electronilor nedescris până acum, care promovează supraconductivitatea prin reducerea repulsiei între perechile de electroni supraconductori. Echipa a determinat, de asemenea, temperatura teoretică la care are loc tranziția fazei supraconductoare a mercurului - informații care anterior lipseau din manualele despre materie condensată.

Supraconductivitatea este capacitatea unui material de a conduce electricitatea fără nicio rezistență. Se observă în multe materiale atunci când sunt răcite sub o temperatură critică T_c care marchează trecerea la starea supraconductoare. În teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) a supraconductivității convenționale, această tranziție are loc atunci când electronii își înving repulsia electrică reciprocă pentru a forma așa-numitele „perechi Cooper” care apoi călătoresc nestingherite prin material ca un supracurent.

Mercurul solid a devenit primul supraconductor cunoscut în 1911, când Onnes a răcit elementul la temperaturi ale heliului lichid. Deși mai târziu a fost clasificat drept supraconductor convențional, comportamentul său nu a fost niciodată pe deplin explicat și nici temperatura sa critică nu a fost prezisă - o situație care Gianna Profeta, care a condus recentul efort de a repara această omisiune, numește „ironic”.

„În timp ce temperatura sa critică este extrem de scăzută în comparație cuT_c materiale precum cuprații (oxizii de cupru) și hidrurile de înaltă presiune, mercurul a jucat un rol special în istoria supraconductivității, servind ca un reper important pentru teoriile fenomenologice de la începutul anilor 1960 și 1970”, spune Profeta. „Este într-adevăr ironic că mercurul, elementul în care supraconductivitatea a fost raportată pentru prima dată, nu a fost niciodată studiat până acum prin metode moderne de prim-principii pentru supraconductori.”

Nu sunt necesari parametri empirici sau chiar semi-empiric

În munca lor, Profeta și colegii au început cu un contrafactual: dacă Onnes nu ar fi descoperit supraconductivitatea în mercur în 1911, ar putea oamenii de știință să prezică existența sa astăzi folosind tehnici de calcul de ultimă generație? Pentru a răspunde la această întrebare, au folosit o abordare numită Teoria funcțională a densității superconductoare (SCDFT), care este considerată una dintre cele mai precise moduri de a descrie proprietățile supraconductoare ale materialelor din lumea reală.

În abordări de prim-principii precum SCDFT, explică Profeta, ecuațiile fundamentale ale mecanicii cuantice care descriu comportamentul nucleelor ​​și electronilor în materiale sunt rezolvate numeric, fără a introduce niciun parametru empiric sau chiar semi-empiric. Singura informație cerută de SCDFT este aranjarea în spațiu a atomilor care formează un anumit material, deși unele aproximări standard sunt de obicei folosite pentru a menține timpii de calcul gestionați.

Folosind această tehnică, cercetătorii au descoperit că o multitudine de fenomene se reunesc pentru a promova supraconductivitatea în mercur. Comportamentele pe care le-au descoperit au inclus efecte de corelare neobișnuite asupra structurii cristaline a materialului; corecții relativiste ale structurii sale electronice care modifică frecvențele fononilor, care sunt vibrații ale rețelei cristaline; și o renormalizare anormală a repulsiei coulombiane reziduale între electroni din cauza nivelului scăzut (la aproximativ 10 eV) d-state.

Astfel de efecte ar putea fi și au fost neglijate în majoritatea supraconductorilor (convenționali), spune Profeta, dar nu și în mercur. Efectul de ecranare, în special, produce o creștere cu 30% a temperaturii critice efective a elementului. „În acest studiu, ne-am dat seama că, deși mercurul a fost considerat ca fiind un sistem destul de simplu datorită structurii și chimiei sale necomplicate, este de fapt unul dintre cei mai complexi supraconductori pe care i-am întâlnit”, spune Profeta. Lumea fizicii.

Efectele de cuplare spin-orbită sunt importante

După ce au luat în considerare toți acești factori, cercetătorii au prezis a T_c pentru mercur care a fost în 2.5% din valoarea reală măsurată experimental. Ei au descoperit, de asemenea, că, dacă efectele relativiste, cum ar fi cuplarea spin-orbită (interacțiunea dintre spinul unui electron și orbita acestuia în jurul nucleului atomic) nu au fost incluse în calcule, unele moduri de fonon au devenit instabile, indicând o tendință a sistemului de a distorsionează într-o structură mai puțin simetrică. Astfel de efecte joacă astfel un rol crucial în determinarea temperaturii critice a mercurului. „După cum arată experiența noastră de zi cu zi, mercurul la temperatura camerei este într-o stare de metal lichid destul de neobișnuită, care se reflectă în moduri de fonon cu energie foarte scăzută (dar nu instabile),” explică Profeta. „Descrierea cu precizie a acestor moduri necesită o atenție specială.”

Cercetătorii susțin că munca lor, care este detaliată în Analiza fizică B, are o importanță istorică. „Cunoaștem acum mecanismele microscopice în joc în primul superconductor descoperit vreodată și i-am determinat tranziția de fază supraconductivă – informații care lipseau pentru primul superconductor care a fost descoperit”, spune Profeta.

Această nouă înțelegere a celui mai vechi supraconductor din lume, printr-o abordare material-by-design, a fost posibilă doar datorită calculelor cu randament ridicat, adaugă el. Astfel de calcule sunt capabile să analizeze milioane de combinații teoretice de materiale și să le aleagă pe cele care ar putea fi supraconductori convenționali în condiții apropiate de mediul ambiant. Găsirea unor astfel de materiale supraconductoare la temperatura camerei ar îmbunătăți considerabil eficiența generatoarelor electrice și a liniilor de transmisie, precum și simplificarea aplicațiilor comune ale supraconductivității, cum ar fi magneții supraconductori în acceleratoarele de particule și mașinile RMN.

„Efectele deosebite de renormalizare Coulomb descoperite în mercur ar putea fi exploatate pentru a crea noi materiale, cu un profil electronic de densitate a stărilor similar cu mercurul, oferind un buton suplimentar pentru a crește temperatura critică a materialelor”, spune Profeta. „Acum explorăm această posibilitate.”