กว่า 100 ปีที่แล้ว นักฟิสิกส์ เฮเก้ คาเมอร์ลิงห์ ออนเนส ค้นพบว่าปรอทที่เป็นของแข็งทำหน้าที่เป็นตัวนำยิ่งยวด ตอนนี้ เป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์มีความเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัย L'Aquila ประเทศอิตาลี ใช้วิธีการคำนวณแบบหลักการแรกสมัยใหม่ โดยพบความผิดปกติหลายประการในคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และโครงตาข่ายของปรอท รวมถึงผลการคัดกรองอิเล็กตรอนที่ยังไม่ได้อธิบายมาก่อน ซึ่งส่งเสริมความเป็นตัวนำยิ่งยวดโดยการลดแรงผลักระหว่างคู่ของอิเล็กตรอนตัวนำยิ่งยวด ทีมงานยังได้กำหนดอุณหภูมิตามทฤษฎีที่ซึ่งการเปลี่ยนเฟสของตัวนำยิ่งยวดของปรอทเกิดขึ้น ซึ่งเป็นข้อมูลที่ก่อนหน้านี้ไม่มีอยู่ในหนังสือเรียนของสสารควบแน่น
ความนำยิ่งยวดคือความสามารถของวัสดุในการนำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทานใดๆ พบได้ในวัสดุหลายชนิดเมื่อถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต Tc นั่นหมายถึงการเปลี่ยนผ่านไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด ในทฤษฎี Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) ของความเป็นตัวนำยิ่งยวดแบบดั้งเดิม การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าร่วมกันจนเกิดสิ่งที่เรียกว่า
ปรอทที่เป็นของแข็งกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่รู้จักกันเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 1911 เมื่อออนเนสทำให้ธาตุเย็นลงเป็นอุณหภูมิฮีเลียมเหลว แม้ว่าภายหลังจะถูกจัดประเภทเป็นตัวนำยิ่งยวดธรรมดา แต่พฤติกรรมของมันก็ไม่เคยได้รับการอธิบายอย่างเต็มที่ และไม่ได้คาดการณ์ถึงอุณหภูมิวิกฤต ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่ จิอันนา โปรเฟตาซึ่งเป็นผู้นำความพยายามล่าสุดในการซ่อมแซมการกำกับดูแลนี้เรียกว่า "แดกดัน"
“ในขณะที่อุณหภูมิวิกฤตต่ำมากเมื่อเทียบกับอุณหภูมิสูง-Tc วัสดุอย่างเช่น Cuprates (ออกไซด์ของทองแดง) และไฮไดรด์ความดันสูง ปรอทมีบทบาทพิเศษในประวัติศาสตร์ของตัวนำยิ่งยวด โดยทำหน้าที่เป็นเกณฑ์มาตรฐานที่สำคัญสำหรับทฤษฎีปรากฏการณ์วิทยาในช่วงต้นทศวรรษ 1960 และ 1970” Profeta กล่าว “นี่เป็นเรื่องน่าขันจริง ๆ ที่ปรอทซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีการรายงานเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดเป็นครั้งแรก จนถึงตอนนี้ยังไม่เคยได้รับการศึกษาด้วยวิธีหลักการสมัยใหม่สำหรับตัวนำยิ่งยวดเลย”
ไม่จำเป็นต้องมีพารามิเตอร์เชิงประจักษ์หรือแม้แต่กึ่งเชิงประจักษ์
ในงานของพวกเขา Profeta และเพื่อนร่วมงานเริ่มต้นด้วยการโต้แย้ง: หาก Onnes ไม่ได้ค้นพบสารตัวนำยิ่งยวดในปรอทในปี 1911 นักวิทยาศาสตร์จะทำนายการมีอยู่ของมันในปัจจุบันโดยใช้เทคนิคการคำนวณล้ำสมัยได้หรือไม่ ในการตอบคำถามนี้ พวกเขาใช้วิธีการที่เรียกว่าทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นของตัวนำยิ่งยวด (SCDFT) ซึ่งถือเป็นหนึ่งในวิธีที่ถูกต้องที่สุดในการอธิบายคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดของวัสดุในโลกแห่งความเป็นจริง
ในแนวทางหลักการแรก เช่น SCDFT Profeta อธิบายว่า สมการกลศาสตร์ควอนตัมพื้นฐานที่อธิบายพฤติกรรมของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนในวัสดุจะได้รับการแก้ไขเป็นตัวเลข โดยไม่ต้องแนะนำพารามิเตอร์เชิงประจักษ์หรือแม้แต่กึ่งเชิงประจักษ์ ข้อมูลเดียวที่จำเป็นสำหรับ SCDFT คือการจัดเรียงตัวในอวกาศของอะตอมที่ก่อตัวเป็นวัสดุที่กำหนด แม้ว่าโดยทั่วไปจะใช้การประมาณมาตรฐานบางอย่างเพื่อให้สามารถจัดการเวลาในการคำนวณได้
เมื่อใช้เทคนิคนี้ นักวิจัยพบว่าปรากฏการณ์ต่างๆ มากมายมารวมกันเพื่อส่งเสริมความเป็นตัวนำยิ่งยวดในปรอท พฤติกรรมที่พวกเขาค้นพบนั้นรวมถึงผลกระทบจากความสัมพันธ์ที่ผิดปกติกับโครงสร้างผลึกของวัสดุ การแก้ไขเชิงสัมพัทธภาพของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เปลี่ยนความถี่ของโฟนัน ซึ่งเป็นการสั่นของโครงตาข่ายคริสตัล และการปรับสภาพให้เป็นปกติของแรงขับคูลอมบ์ที่เหลือระหว่างอิเล็กตรอนเนื่องจากการนอนต่ำ (ที่ประมาณ 10 eV) d- รัฐ
Profeta กล่าวว่าผลกระทบดังกล่าวอาจถูกละเลยในตัวนำยิ่งยวด (แบบธรรมดา) ส่วนใหญ่ แต่ไม่ได้อยู่ในสารปรอท โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลการคัดกรองทำให้อุณหภูมิวิกฤตที่มีประสิทธิภาพขององค์ประกอบเพิ่มขึ้น 30% "ในการศึกษานี้ เราตระหนักว่าแม้ว่าปรอทจะถูกพิจารณาว่าเป็นระบบที่ค่อนข้างง่าย เนื่องจากมีโครงสร้างและเคมีที่ไม่ซับซ้อน แต่ที่จริงแล้วมันเป็นหนึ่งในตัวนำยิ่งยวดที่ซับซ้อนที่สุดที่เราเคยพบ" Profeta กล่าว โลกฟิสิกส์.
เอฟเฟกต์การจับคู่วงโคจรมีความสำคัญ
หลังจากคำนึงถึงปัจจัยเหล่านี้ทั้งหมดแล้ว นักวิจัยคาดการณ์ว่า Tc สำหรับปรอทที่อยู่ภายใน 2.5% ของค่าที่วัดได้จากการทดลองจริง พวกเขายังพบว่าหากผลเชิงสัมพัทธภาพ เช่น การมีเพศสัมพันธ์แบบหมุนวงโคจร (ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการหมุนของอิเล็กตรอนและวงโคจรของมันรอบนิวเคลียสของอะตอม) ไม่รวมอยู่ในการคำนวณ โหมดโฟนอนบางโหมดจะไม่เสถียร ซึ่งบ่งชี้ถึงแนวโน้มที่ระบบจะ บิดเบี้ยวเป็นโครงสร้างที่สมมาตรน้อยกว่า ผลกระทบดังกล่าวจึงมีบทบาทสำคัญในการกำหนดอุณหภูมิวิกฤตของปรอท Profeta อธิบาย “จากประสบการณ์ในชีวิตประจำวันของเรา ปรอทที่อุณหภูมิห้องอยู่ในสถานะโลหะเหลวค่อนข้างผิดปกติ ซึ่งสะท้อนให้เห็นในโหมดโฟนอนที่ใช้พลังงานต่ำมาก (แต่ไม่เสถียร)” Profeta อธิบาย “การอธิบายโหมดเหล่านี้อย่างถูกต้องนั้นต้องการการดูแลเป็นพิเศษ”
เฉลิมฉลองครบรอบหนึ่งร้อยปีของการนำยิ่งยวด…
นักวิจัยอ้างว่างานของพวกเขาซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน การทบทวนทางกายภาพ Bมีความสำคัญทางประวัติศาสตร์ Profeta กล่าวว่า "ตอนนี้เราทราบกลไกในระดับจุลภาคในตัวนำยิ่งยวดที่ค้นพบเป็นครั้งแรก และได้ระบุการเปลี่ยนเฟสของตัวนำยิ่งยวดซึ่งเป็นข้อมูลที่ขาดหายไปสำหรับตัวนำยิ่งยวดตัวแรกที่จะถูกค้นพบ" Profeta กล่าว
ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดที่เก่าแก่ที่สุดในโลก แม้ว่าแนวทางของวัสดุโดยการออกแบบจะเป็นไปได้ด้วยการคำนวณปริมาณงานสูงเท่านั้น เขากล่าวเสริม การคำนวณดังกล่าวมีความสามารถในการคัดกรองวัสดุผสมทางทฤษฎีหลายล้านรายการ และเลือกวัสดุที่อาจเป็นตัวนำยิ่งยวดทั่วไปที่ใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อม การค้นหาวัสดุที่มีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องเช่นนี้จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและสายส่งไฟฟ้าได้อย่างมาก อีกทั้งยังช่วยลดความซับซ้อนในการใช้งานทั่วไปของตัวนำยิ่งยวด เช่น แม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวดในเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่อง MRI
Profeta กล่าวว่า "เอฟเฟกต์การปรับสถานะคูลอมบ์ที่แปลกประหลาดที่พบในปรอทสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในการออกแบบวัสดุใหม่ได้ ด้วยความหนาแน่นทางอิเล็กทรอนิกส์ของสถานะที่คล้ายกับปรอท ทำให้มีปุ่มควบคุมเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มอุณหภูมิวิกฤตของวัสดุ" Profeta กล่าว “ตอนนี้เรากำลังสำรวจความเป็นไปได้นี้”
