Merkür'ün süperiletkenliği sonunda açıklandı

100 yılı aşkın bir süre önce, fizikçi Heike Kamerlingh Onnes katı cıvanın bir süper iletken gibi davrandığını keşfetti. Şimdi, ilk kez, fizikçiler bunun neden böyle olduğuna dair tam bir mikroskobik anlayışa sahipler. İtalya, L'Aquila Üniversitesi'nden bir ekip, modern bir ilk prensip hesaplama yöntemi kullanarak, süper iletken elektron çiftleri arasındaki itmeyi azaltarak süper iletkenliği destekleyen şimdiye kadar tanımlanmamış bir elektron tarama etkisi dahil olmak üzere cıvanın elektronik ve kafes özelliklerinde birkaç anormallik buldu. Ekip ayrıca cıvanın süperiletken faz geçişinin gerçekleştiği teorik sıcaklığı da belirledi - bu bilgi daha önce yoğun madde ders kitaplarında yoktu.

Süper iletkenlik, bir malzemenin herhangi bir direnç göstermeden elektriği iletme yeteneğidir. Birçok malzemede kritik bir sıcaklığın altına soğutulduklarında gözlenir. T_c bu, süperiletken duruma geçişi işaretler. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) geleneksel süperiletkenlik teorisinde, bu geçiş, elektronların karşılıklı elektriksel itme kuvvetlerinin üstesinden gelerek "Cooper çiftleri" olarak adlandırılan ve daha sonra malzeme içinde bir süper akım olarak engellenmeden hareket ettikleri zaman meydana gelir.

Katı cıva, 1911'de Onnes elementi sıvı helyum sıcaklıklarına kadar soğuttuğunda, bilinen ilk süper iletken oldu. Daha sonra geleneksel bir süper iletken olarak sınıflandırılmasına rağmen, davranışı hiçbir zaman tam olarak açıklanamadı ve kritik sıcaklığı tahmin edilemedi. Gianna ProfetaSon zamanlarda bu gözden kaçmayı düzeltme çabasına öncülük eden , "ironik" olarak nitelendiriyor.

“Kritik sıcaklığı, yüksek sıcaklığa kıyasla son derece düşük olsa da-T_c Küpratlar (bakır oksitler) ve yüksek basınçlı hidritler gibi malzemeler olan cıva, süperiletkenlik tarihinde özel bir rol oynadı ve 1960'ların başında ve 1970'lerde fenomenolojik teoriler için önemli bir kriter olarak hizmet etti," diyor Profeta. "Bu gerçekten ironik, süper iletkenliğin ilk kez rapor edildiği element olan cıva, süper iletkenler için modern ilk prensip yöntemleriyle şimdiye kadar hiç incelenmemişti."

Ampirik ve hatta yarı ampirik parametre gerekmez

Profeta ve meslektaşları çalışmalarında bir karşı olguyla başladılar: Onnes 1911'de cıvada süperiletkenliği keşfetmemiş olsaydı, bilim adamları bugünün varlığını en son hesaplama tekniklerini kullanarak tahmin edebilir miydi? Bu soruyu cevaplamak için, gerçek dünyadaki malzemelerin süper iletken özelliklerini tanımlamanın en doğru yollarından biri olarak kabul edilen Süper İletken Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (SCDFT) adlı bir yaklaşım kullandılar.

Profeta, SCDFT gibi ilk prensip yaklaşımlarında, malzemelerdeki çekirdeklerin ve elektronların davranışını tanımlayan temel kuantum mekaniği denklemlerinin, herhangi bir ampirik ve hatta yarı ampirik parametre sunmadan sayısal olarak çözüldüğünü açıklıyor. SCDFT'nin ihtiyaç duyduğu tek bilgi, belirli bir malzemeyi oluşturan atomların uzaydaki düzenlemesidir, ancak hesaplama sürelerini yönetilebilir tutmak için genellikle bazı standart yaklaşımlar kullanılır.

Bu tekniği kullanan araştırmacılar, cıvada süperiletkenliği teşvik etmek için bir dizi fenomenin bir araya geldiğini keşfettiler. Ortaya çıkardıkları davranışlar, malzemenin kristal yapısı üzerindeki olağandışı korelasyon etkilerini; kristal kafesin titreşimleri olan fononların frekanslarını değiştiren elektronik yapısında göreli düzeltmeler; ve elektronlar arasındaki artık Coulomb itmesinin alçakta yatma nedeniyle (yaklaşık 10 eV'de) anormal bir şekilde yeniden normalleşmesi d-durumlar.

Profeta, bu tür etkilerin çoğu (geleneksel) süper iletkende ihmal edilebileceğini ve ihmal edildiğini, ancak cıvada ihmal edilebileceğini söylüyor. Özellikle perdeleme etkisi, elemanın etkin kritik sıcaklığında %30'luk bir artış sağlar. Profeta, "Bu çalışmada, karmaşık olmayan yapısı ve kimyası nedeniyle cıvanın oldukça basit bir sistem olarak kabul edilmesine rağmen, aslında karşılaştığımız en karmaşık süper iletkenlerden biri olduğunu fark ettik." Fizik dünyası.

Spin-yörünge kuplaj etkileri önemlidir

Tüm bu faktörleri hesaba kattıktan sonra, araştırmacılar bir tahminde bulundular. T_c deneysel olarak ölçülen gerçek değerin %2.5'i içinde olan cıva için. Ayrıca, spin-yörünge eşleşmesi (bir elektronun dönüşü ile atom çekirdeği etrafındaki yörüngesi arasındaki etkileşim) gibi göreli etkilerin hesaplamalara dahil edilmemesi durumunda, bazı fonon modlarının kararsız hale geldiğini ve sistemin bir eğilim gösterdiğini buldular. daha az simetrik bir yapıya dönüşür. Bu tür etkiler bu nedenle cıvanın kritik sıcaklığının belirlenmesinde çok önemli bir rol oynar. Profeta, "Günlük deneyimlerimizin gösterdiği gibi, oda sıcaklığında cıva, oldukça düşük enerjili (ama kararsız olmayan) fonon modlarında yansıyan, oldukça sıra dışı bir sıvı metal halindedir" diye açıklıyor. "Bu modları doğru bir şekilde tanımlamak özel bir özen gerektirir."

Araştırmacılar, ayrıntılı olarak açıkladıkları çalışmalarının Fiziksel İnceleme B, tarihi öneme sahiptir. Profeta, "Şimdi keşfedilen ilk süper iletkendeki mikroskobik mekanizmaları biliyoruz ve süper iletken faz geçişini belirledik - keşfedilecek ilk süper iletken için eksik olan bilgi," diyor.

Dünyanın en eski süper iletkenine yönelik bu yeni anlayış, tasarım gereği malzeme yaklaşımına rağmen, yalnızca yüksek verimli hesaplamalar sayesinde mümkün oldu, diye ekliyor. Bu tür hesaplamalar, milyonlarca teorik malzeme kombinasyonunu tarama ve çevre koşullarına yakın geleneksel süper iletken olabilecekleri seçme yeteneğine sahiptir. Bu tür oda sıcaklığında süper iletken malzemelerin bulunması, elektrik jeneratörlerinin ve iletim hatlarının verimliliğini büyük ölçüde artıracağı gibi, parçacık hızlandırıcılar ve MRI makinelerinde süper iletken mıknatıslar gibi yaygın süper iletkenlik uygulamalarını da basitleştirecektir.

Profeta, "Cıvada keşfedilen tuhaf Coulomb yeniden normalleştirme etkileri, cıvaya benzer bir elektronik durum profili profiliyle yeni malzemeler tasarlamak için kullanılabilir ve malzemelerin kritik sıcaklığını artırmak için ek bir düğme sağlar" diyor. "Şimdi bu olasılığı araştırıyoruz."