Понад 100 років тому фіз Хайке Камерлінг Оннес виявив, що тверда ртуть діє як надпровідник. Тепер, вперше, фізики мають повне мікроскопічне розуміння, чому це так. Використовуючи сучасний обчислювальний метод перших принципів, команда з Університету Л'Аквіли, Італія, виявила кілька аномалій в електронних властивостях і властивостях решітки ртуті, включаючи досі неописаний ефект екранування електронів, який сприяє надпровідності шляхом зменшення відштовхування між парами надпровідних електронів. Команда також визначила теоретичну температуру, при якій відбувається надпровідний фазовий перехід ртуті – інформація, яка раніше була відсутня в підручниках з конденсованих середовищ.
Надпровідність - це здатність матеріалу проводити електричний струм без будь-якого опору. Це спостерігається в багатьох матеріалах, коли вони охолоджуються нижче критичної температури Tc що знаменує перехід у надпровідний стан. У теорії звичайної надпровідності Бардіна-Купера-Шріффера (BCS) цей перехід відбувається, коли електрони долають взаємне електричне відштовхування, утворюючи так звані «куперівські пари», які потім безперешкодно рухаються крізь матеріал як надструм.
Тверда ртуть стала першим відомим надпровідником у 1911 році, коли Оннес охолодив елемент до температури рідкого гелію. Хоча пізніше його класифікували як звичайний надпровідник, його поведінка ніколи не була повністю пояснена, а також не була передбачена його критична температура – ситуація, яка Джанна Профета, який очолював нещодавню роботу з усунення цього недогляду, називає це «іронічним».
«Хоча його критична температура надзвичайно низька порівняно з високоюTc матеріалів, таких як купрати (оксиди міді) і гідриди високого тиску, ртуть відіграла особливу роль в історії надпровідності, слугуючи важливим орієнтиром для феноменологічних теорій на початку 1960-х і 1970-х років», – каже Профета. «Це справді дивно, що ртуть, елемент, надпровідність якого була виявлена вперше, досі ніколи не вивчалася сучасними методами перших принципів для надпровідників».
Ніяких емпіричних чи навіть напівемпіричних параметрів не потрібно
У своїй роботі Профета та його колеги почали з протиправної гіпотези: якби Оннес не відкрив надпровідність у ртуті в 1911 році, чи могли б вчені передбачити її існування сьогодні, використовуючи найсучасніші обчислювальні методи? Щоб відповісти на це запитання, вони використали підхід під назвою Надпровідна функціональна теорія щільності (SCDFT), який вважається одним із найточніших способів опису надпровідних властивостей реальних матеріалів.
У підходах перших принципів, таких як SCDFT, пояснює Профета, фундаментальні рівняння квантової механіки, що описують поведінку ядер і електронів у матеріалах, розв’язуються чисельно без введення будь-яких емпіричних або навіть напівемпіричних параметрів. Єдина інформація, необхідна для SCDFT, – це розміщення в просторі атомів, які утворюють даний матеріал, хоча зазвичай використовуються деякі стандартні наближення, щоб зберегти час обчислень керованим.
Використовуючи цю техніку, дослідники виявили, що сукупність явищ об’єднується, щоб сприяти надпровідності ртуті. Поведінка, яку вони виявили, включала незвичайні кореляційні ефекти на кристалічну структуру матеріалу; релятивістські поправки до його електронної структури, які змінюють частоти фононів, які є коливаннями кристалічної решітки; і аномальна перенормування залишкового кулонівського відштовхування між електронами внаслідок низького розташування (близько 10 еВ) d-держав.
У більшості (звичайних) надпровідників такими ефектами можна було знехтувати, але не в ртуті, каже Профета. Ефект екранування, зокрема, призводить до підвищення ефективної критичної температури елемента на 30%. «У цьому дослідженні ми зрозуміли, що хоча ртуть вважалася досить простою системою через її нескладну структуру та хімічний склад, насправді це один із найскладніших надпровідників, з якими ми стикалися», — розповідає Профета. Світ фізики.
Ефекти спін-орбітального зв’язку важливі
Взявши до уваги всі ці фактори, дослідники передбачили a Tc для ртуті, яка була в межах 2.5% від фактичного експериментально виміряного значення. Вони також виявили, що якщо релятивістські ефекти, такі як спін-орбітальний зв’язок (взаємодія між спіном електрона та його орбітою навколо атомного ядра), не включаються в розрахунки, деякі фононні моди стають нестабільними, що вказує на тенденцію системи до спотворити в менш симетричну структуру. Таким чином, такі ефекти відіграють вирішальну роль у визначенні критичної температури ртуті. «Як показує наш повсякденний досвід, ртуть при кімнатній температурі знаходиться в досить незвичайному рідкому металевому стані, що відображається в дуже низькоенергетичних (але не нестабільних) фононних модах», — пояснює Профета. «Точний опис цих режимів вимагає особливої обережності».
Святкуйте сторіччя надпровідності…
Дослідники стверджують, що їхня робота, детально описана в Фізичний огляд В, має історичне значення. «Тепер ми знаємо мікроскопічні механізми, що діють у першому відкритому надпровіднику, і визначили його надпровідний фазовий перехід — інформації, якої не вистачало для першого відкритого надпровідника», — каже Профета.
Це нове розуміння найстарішого у світі надпровідника, хоча підхід до матеріалу за проектом був можливим лише завдяки високопродуктивним обчисленням, додає він. Такі обчислення здатні перевіряти мільйони теоретичних комбінацій матеріалів і вибирати ті, які можуть бути звичайними надпровідниками в умовах, близьких до навколишнього середовища. Пошук таких надпровідних матеріалів при кімнатній температурі значно підвищить ефективність електричних генераторів і ліній передачі, а також спростить звичайні застосування надпровідності, такі як надпровідні магніти в прискорювачах елементарних частинок і апаратах МРТ.
«Своєрідні ефекти перенормування Кулона, виявлені в ртуті, можна використовувати для створення нових матеріалів з електронним профілем щільності станів, подібним до ртутного, забезпечуючи додаткову ручку для підвищення критичної температури матеріалів», — каже Профета. «Зараз ми вивчаємо цю можливість».
