Сверхпроводимость Меркурия наконец объяснена

Более 100 лет назад физик Хайке Камерлинг-Оннес обнаружил, что твердая ртуть действует как сверхпроводник. Теперь у физиков впервые есть полное микроскопическое понимание того, почему это так. Используя современный вычислительный метод, основанный на первых принципах, группа из Университета Л'Акуила, Италия, обнаружила несколько аномалий в электронных и решеточных свойствах ртути, включая до сих пор не описанный эффект экранирования электронов, который способствует сверхпроводимости за счет уменьшения отталкивания между парами сверхпроводящих электронов. Команда также определила теоретическую температуру, при которой происходит сверхпроводящий фазовый переход ртути — информация, ранее отсутствовавшая в учебниках по конденсированным веществам.

Сверхпроводимость — это способность материала проводить электричество без какого-либо сопротивления. Наблюдается во многих материалах при их охлаждении ниже критической температуры. T_c что означает переход в сверхпроводящее состояние. В теории обычной сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) этот переход происходит, когда электроны преодолевают взаимное электрическое отталкивание, образуя так называемые «куперовские пары», которые затем беспрепятственно перемещаются через материал в виде сверхтока.

Твердая ртуть стала первым известным сверхпроводником в 1911 году, когда Оннес охладил этот элемент до температуры жидкого гелия. Хотя позже он был классифицирован как обычный сверхпроводник, его поведение так и не было полностью объяснено, а его критическая температура не была предсказана. Джанна Профета, который руководил недавней попыткой исправить эту оплошность, называет это «ироничным».

«Хотя его критическая температура чрезвычайно низка по сравнению с высоко-T_c таких материалов, как купраты (оксиды меди) и гидриды высокого давления, ртуть сыграла особую роль в истории сверхпроводимости, служа важным ориентиром для феноменологических теорий в начале 1960-х и 1970-х годов», — говорит Профета. «Это действительно иронично, что ртуть, элемент, в котором впервые было сообщено о сверхпроводимости, до сих пор никогда не изучалась современными методами из первых принципов для сверхпроводников».

Не требуются эмпирические или даже полуэмпирические параметры

В своей работе Профета и его коллеги начали с контрфактического предположения: если бы Оннес не открыл сверхпроводимость ртути в 1911 году, могли бы ученые предсказать ее существование сегодня, используя самые современные вычислительные методы? Чтобы ответить на этот вопрос, они использовали подход под названием сверхпроводящая функциональная теория плотности (SCDFT), который считается одним из наиболее точных способов описания сверхпроводящих свойств реальных материалов.

В первопринципных подходах, таких как SCDFT, объясняет Профета, фундаментальные уравнения квантовой механики, описывающие поведение ядер и электронов в материалах, решаются численно, без введения каких-либо эмпирических или даже полуэмпирических параметров. Единственная информация, требуемая SCDFT, - это расположение в пространстве атомов, образующих данный материал, хотя обычно используются некоторые стандартные приближения, чтобы сократить время вычислений.

Используя этот метод, исследователи обнаружили, что совокупность явлений способствует развитию сверхпроводимости ртути. Поведение, которое они обнаружили, включало необычные корреляционные эффекты в кристаллической структуре материала; релятивистские поправки к его электронной структуре, изменяющие частоты фононов, являющихся колебаниями кристаллической решетки; и аномальная перенормировка остаточного кулоновского отталкивания между электронами из-за низколежащих (около 10 эВ) d-состояния.

Такими эффектами можно было пренебречь и пренебрегали в большинстве (обычных) сверхпроводников, говорит Профета, но не в ртути. Эффект экранирования, в частности, приводит к увеличению эффективной критической температуры элемента на 30%. «В этом исследовании мы поняли, что, хотя ртуть считалась довольно простой системой из-за ее несложной структуры и химического состава, на самом деле это один из самых сложных сверхпроводников, с которыми мы сталкивались», — говорит Профета. Мир физики.

Эффекты спин-орбитальной связи важны

Приняв во внимание все эти факторы, исследователи предсказали T_c для ртути это было в пределах 2.5% от фактического экспериментально измеренного значения. Они также обнаружили, что если в расчеты не были включены релятивистские эффекты, такие как спин-орбитальная связь (взаимодействие между спином электрона и его орбитой вокруг атомного ядра), некоторые фононные моды становились нестабильными, что указывает на тенденцию системы к искажаются в менее симметричную структуру. Таким образом, такие эффекты играют решающую роль в определении критической температуры ртути. «Как показывает наш повседневный опыт, ртуть при комнатной температуре находится в довольно необычном жидкометаллическом состоянии, что отражается в очень низкоэнергетических (но не нестабильных) фононных модах», — объясняет Профета. «Точное описание этих режимов требует особого внимания».

Исследователи утверждают, что их работа, подробно описанная в Физический обзор B, имеет историческое значение. «Теперь мы знаем микроскопические механизмы, действующие в первом открытом сверхпроводнике, и определили его сверхпроводящий фазовый переход — информации, которой не хватало для открытия первого сверхпроводника», — говорит Профета.

Он добавляет, что это новое понимание старейшего в мире сверхпроводника, несмотря на подход, основанный на конструкции материала, стало возможным только благодаря высокопроизводительным вычислениям. Такие вычисления позволяют отсеивать миллионы теоретических комбинаций материалов и выбирать те, которые могут быть обычными сверхпроводниками в условиях, близких к окружающим. Обнаружение таких сверхпроводящих материалов при комнатной температуре значительно повысит эффективность электрических генераторов и линий электропередач, а также упростит обычные применения сверхпроводимости, такие как сверхпроводящие магниты в ускорителях частиц и машинах МРТ.

«Особые эффекты кулоновской перенормировки, обнаруженные в ртути, могут быть использованы для разработки новых материалов с профилем электронной плотности состояний, подобным ртути, что обеспечит дополнительную ручку для повышения критической температуры материалов», — говорит Профета. «Сейчас мы изучаем эту возможность».