För mer än 100 år sedan, fysikern Heike Kamerlingh Onnes upptäckte att fast kvicksilver fungerar som en supraledare. Nu, för första gången, har fysiker en fullständig mikroskopisk förståelse för varför det är så. Med hjälp av en modern beräkningsmetod med de första principerna fann ett team från University of L'Aquila, Italien, flera anomalier i kvicksilvrets elektroniska egenskaper och galleregenskaper, inklusive en hittills obeskriven elektronscreeningseffekt som främjar supraledning genom att minska repulsionen mellan par av supraledande elektroner. Teamet fastställde också den teoretiska temperaturen vid vilken kvicksilverets supraledande fasövergång inträffar - information som tidigare saknats från läroböcker med kondenserad materia.
Supraledning är ett materials förmåga att leda elektricitet utan motstånd. Det observeras i många material när de kyls under en kritisk temperatur Tc som markerar övergången till supraledande tillstånd. I Bardeen-Cooper-Schrieffers (BCS) teori om konventionell supraledning sker denna övergång när elektroner övervinner sin ömsesidiga elektriska repulsion för att bilda så kallade "Cooper-par" som sedan färdas obehindrat genom materialet som en superström.
Fast kvicksilver blev den första kända supraledaren 1911, när Onnes kylde elementet till flytande heliumtemperaturer. Även om den senare klassades som en konventionell supraledare, förklarades dess beteende aldrig helt, inte heller förutspåddes dess kritiska temperatur – en situation som Gianna Profeta, som ledde de senaste försöken att reparera denna förbiseende, kallar "ironisk".
"Medan dess kritiska temperatur är extremt låg jämfört med hög-Tc material som kuprater (kopparoxider) och högtryckshydrider, kvicksilver har spelat en speciell roll i supraledningshistorien, och fungerat som ett viktigt riktmärke för fenomenologiska teorier i början av 1960- och 1970-talen, säger Profeta. "Detta är verkligen ironiskt, att kvicksilver, elementet där supraledning rapporterades för första gången, hittills aldrig hade studerats av moderna förstaprincipmetoder för supraledare."
Inga empiriska eller ens semi-empiriska parametrar krävs
I sitt arbete började Profeta och kollegor med en kontrafaktisk: om Onnes inte hade upptäckt supraledning i kvicksilver 1911, kunde forskare förutsäga dess existens idag med hjälp av toppmoderna beräkningstekniker? För att svara på denna fråga använde de ett tillvägagångssätt som kallas SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), som anses vara ett av de mest exakta sätten att beskriva de supraledande egenskaperna hos material i verkliga världen.
I principer som SCDFT, förklarar Profeta, löses de grundläggande kvantmekaniska ekvationerna som beskriver beteendet hos kärnor och elektroner i material numeriskt, utan att införa några empiriska eller ens semi-empiriska parametrar. Den enda information som krävs av SCDFT är arrangemanget i rymden av atomerna som bildar ett givet material, även om vissa standarduppskattningar vanligtvis används för att hålla beräkningstider hanterbara.
Med den här tekniken fann forskarna att en mängd fenomen samlas för att främja supraledning i kvicksilver. De beteenden de avslöjade inkluderade ovanliga korrelationseffekter på materialets kristallstruktur; relativistiska korrigeringar av dess elektroniska struktur som ändrar frekvenserna för fononer, som är vibrationer i kristallgittret; och en anomal renormalisering av den kvarvarande Coulomb-repulsionen mellan elektroner på grund av lågt liggande (vid ca 10 eV) d-stater.
Sådana effekter kan försummas i de flesta (konventionella) supraledare, säger Profeta, men inte i kvicksilver. Speciellt avskärmningseffekten ger en 30% ökning av elementets effektiva kritiska temperatur. "I den här studien insåg vi att även om kvicksilver har ansetts vara ett ganska enkelt system på grund av dess okomplicerade struktur och kemi, så är det i själva verket en av de mest komplexa supraledare vi har stött på", säger Profeta. Fysikvärlden.
Spin-orbit kopplingseffekter är viktiga
Efter att ha tagit hänsyn till alla dessa faktorer förutspådde forskarna en Tc för kvicksilver som låg inom 2.5 % av det faktiska experimentellt uppmätta värdet. De fann också att om relativistiska effekter som spin-omloppskoppling (samspelet mellan en elektrons spinn och dess omloppsbana runt atomkärnan) inte inkluderades i beräkningarna, blev vissa fononlägen instabila, vilket tyder på en tendens för systemet att förvrängs till en mindre symmetrisk struktur. Sådana effekter spelar alltså en avgörande roll för att bestämma kvicksilvrets kritiska temperatur. "Som vår vardagliga erfarenhet visar är kvicksilver vid rumstemperatur i ett ganska ovanligt flytande metalltillstånd, vilket återspeglas i mycket lågenergilägen (men inte instabila) fononlägen", förklarar Profeta. "Att beskriva dessa lägen korrekt kräver särskild omsorg."
Fira hundraårsjubileet av supraledning...
Forskarna hävdar att deras arbete, som beskrivs i detalj i Fysisk granskning B, är av historisk betydelse. "Vi känner nu till de mikroskopiska mekanismerna i den första upptäckta supraledaren och har bestämt dess supraledande fasövergång - information som saknades för att den första supraledaren någonsin skulle upptäckas", säger Profeta.
Denna nya förståelse av världens äldsta supraledare, trots en material-by-design-metod, var endast möjlig tack vare beräkningar med hög genomströmning, tillägger han. Sådana beräkningar kan screena miljontals teoretiska materialkombinationer och välja ut de som kan vara konventionella supraledare vid nära omgivningsförhållanden. Att hitta sådana supraledande material i rumstemperatur skulle avsevärt förbättra effektiviteten hos elektriska generatorer och transmissionsledningar, samt förenkla vanliga tillämpningar av supraledning som supraledande magneter i partikelacceleratorer och MRI-maskiner.
"De märkliga Coulomb-renormaliseringseffekterna som upptäckts i kvicksilver skulle kunna utnyttjas för att konstruera nya material, med en elektronisk densitetsprofil som liknar kvicksilver, vilket ger en extra ratt för att höja den kritiska temperaturen hos material," säger Profeta. "Vi undersöker nu den här möjligheten."
