Hơn 100 năm trước, nhà vật lý Heike Kamerlingh Onnes phát hiện ra rằng thủy ngân rắn hoạt động như một chất siêu dẫn. Giờ đây, lần đầu tiên, các nhà vật lý đã có một sự hiểu biết hoàn chỉnh ở cấp độ vi mô về lý do tại sao lại như vậy. Sử dụng phương pháp tính toán dựa trên nguyên tắc đầu tiên hiện đại, một nhóm nghiên cứu từ Đại học L'Aquila, Ý, đã tìm thấy một số điểm bất thường trong các tính chất mạng và điện tử của thủy ngân, bao gồm hiệu ứng sàng lọc electron cho đến nay vẫn chưa được mô tả nhằm thúc đẩy tính siêu dẫn bằng cách giảm lực đẩy giữa các cặp electron siêu dẫn. Nhóm nghiên cứu cũng xác định được nhiệt độ lý thuyết tại đó xảy ra quá trình chuyển pha siêu dẫn của thủy ngân – thông tin trước đây không có trong sách giáo khoa về vật chất ngưng tụ.
Tính siêu dẫn là khả năng của một vật liệu dẫn điện mà không có bất kỳ điện trở nào. Nó được quan sát thấy trong nhiều vật liệu khi chúng được làm lạnh dưới nhiệt độ tới hạn. Tc đánh dấu sự chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Trong lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) về tính siêu dẫn thông thường, quá trình chuyển đổi này xảy ra khi các electron vượt qua lực đẩy điện tương hỗ của chúng để tạo thành cái gọi là “cặp Cooper” mà sau đó di chuyển không bị cản trở qua vật liệu dưới dạng siêu dòng.
Thủy ngân rắn trở thành chất siêu dẫn đầu tiên được biết đến vào năm 1911, khi Onnes làm lạnh nguyên tố này đến nhiệt độ helium lỏng. Mặc dù sau đó nó được phân loại là chất siêu dẫn thông thường, hành vi của nó chưa bao giờ được giải thích đầy đủ, nhiệt độ tới hạn của nó cũng không được dự đoán – một tình huống mà Gianna Profeta, người dẫn đầu nỗ lực gần đây để sửa chữa sự giám sát này, gọi là "mỉa mai".
“Mặc dù nhiệt độ tới hạn của nó cực kỳ thấp so với nhiệt độ caoTc các vật liệu như cuprate (oxit đồng) và hydrua áp suất cao, thủy ngân đã đóng một vai trò đặc biệt trong lịch sử của tính siêu dẫn, đóng vai trò là một chuẩn mực quan trọng cho các lý thuyết hiện tượng học vào đầu những năm 1960 và 1970,” Profeta nói. “Điều này thực sự mỉa mai, rằng thủy ngân, nguyên tố lần đầu tiên được báo cáo về tính siêu dẫn, cho đến nay chưa bao giờ được nghiên cứu bằng các phương pháp nguyên lý đầu tiên hiện đại cho chất siêu dẫn.”
Không yêu cầu tham số thực nghiệm hoặc thậm chí bán thực nghiệm
Trong nghiên cứu của mình, Profeta và các đồng nghiệp đã bắt đầu với một phản chứng: nếu Onnes không phát hiện ra tính siêu dẫn trong thủy ngân vào năm 1911, liệu các nhà khoa học có thể dự đoán sự tồn tại của nó ngày nay bằng các kỹ thuật tính toán hiện đại không? Để trả lời câu hỏi này, họ đã sử dụng một phương pháp gọi là Lý thuyết chức năng mật độ siêu dẫn (SCDFT), được coi là một trong những cách chính xác nhất để mô tả các đặc tính siêu dẫn của vật liệu trong thế giới thực.
Profeta giải thích, trong các phương pháp tiếp cận nguyên tắc đầu tiên như SCDFT, các phương trình cơ học lượng tử cơ bản mô tả hành vi của hạt nhân và electron trong vật liệu được giải bằng số mà không đưa ra bất kỳ tham số thực nghiệm hoặc thậm chí bán thực nghiệm nào. Thông tin duy nhất mà SCDFT yêu cầu là sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử tạo thành một vật liệu nhất định, mặc dù một số phép tính gần đúng tiêu chuẩn thường được sử dụng để duy trì thời gian tính toán có thể quản lý được.
Sử dụng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng toàn cảnh các hiện tượng kết hợp với nhau để thúc đẩy tính siêu dẫn trong thủy ngân. Các hành vi mà họ phát hiện ra bao gồm các hiệu ứng tương quan bất thường đối với cấu trúc tinh thể của vật liệu; các hiệu chỉnh tương đối tính đối với cấu trúc điện tử của nó làm thay đổi tần số của các phonon, là các dao động của mạng tinh thể; và sự tái chuẩn hóa dị thường của lực đẩy Coulomb còn lại giữa các electron do mức thấp (ở khoảng 10 eV) d-Những trạng thái.
Profeta nói, những hiệu ứng như vậy có thể đã và đang bị bỏ qua trong hầu hết các chất siêu dẫn (thông thường), nhưng không phải trong thủy ngân. Đặc biệt, hiệu ứng sàng lọc tạo ra sự gia tăng 30% nhiệt độ tới hạn hiệu quả của nguyên tố. “Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhận ra rằng mặc dù thủy ngân được coi là một hệ thống khá đơn giản vì cấu trúc và tính chất hóa học không phức tạp của nó, nhưng trên thực tế, nó là một trong những chất siêu dẫn phức tạp nhất mà chúng tôi từng gặp,” Profeta nói. Thế giới vật lý.
Hiệu ứng khớp nối spin-quỹ đạo rất quan trọng
Sau khi tính đến tất cả các yếu tố này, các nhà nghiên cứu dự đoán một Tc đối với thủy ngân nằm trong khoảng 2.5% giá trị đo được bằng thực nghiệm. Họ cũng phát hiện ra rằng nếu các hiệu ứng tương đối tính như liên kết spin-quỹ đạo (tương tác giữa spin của một electron và quỹ đạo của nó xung quanh hạt nhân nguyên tử) không được đưa vào tính toán, thì một số chế độ phonon trở nên không ổn định, cho thấy hệ thống có xu hướng bóp méo thành một cấu trúc ít đối xứng hơn. Do đó, những hiệu ứng như vậy đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định nhiệt độ tới hạn của thủy ngân. Profeta giải thích: “Như kinh nghiệm hàng ngày của chúng tôi cho thấy, thủy ngân ở nhiệt độ phòng ở trạng thái kim loại lỏng khá bất thường, được phản ánh trong các chế độ phonon năng lượng rất thấp (nhưng không ổn định). “Mô tả các chế độ này một cách chính xác đòi hỏi sự chăm sóc đặc biệt.”
Kỷ niệm một trăm năm siêu dẫn…
Các nhà nghiên cứu tuyên bố rằng công việc của họ, được trình bày chi tiết trong Đánh giá vật lý B, có ý nghĩa lịch sử. Profeta cho biết: “Bây giờ chúng tôi đã biết các cơ chế vi mô đang vận hành trong chất siêu dẫn đầu tiên được phát hiện và đã xác định được quá trình chuyển pha siêu dẫn của nó – thông tin còn thiếu đối với chất siêu dẫn đầu tiên được phát hiện”.
Ông cho biết thêm, hiểu biết mới này về chất siêu dẫn lâu đời nhất thế giới mặc dù phương pháp tiếp cận từng vật liệu theo thiết kế chỉ có thể thực hiện được nhờ các tính toán thông lượng cao. Những tính toán như vậy có khả năng sàng lọc hàng triệu tổ hợp vật liệu lý thuyết và chọn ra những tổ hợp có thể là chất siêu dẫn thông thường ở điều kiện gần với môi trường xung quanh. Việc tìm ra những vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng như vậy sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất của máy phát điện và đường dây truyền tải, cũng như đơn giản hóa các ứng dụng phổ biến của tính siêu dẫn như nam châm siêu dẫn trong máy gia tốc hạt và máy MRI.
Profeta cho biết: “Các hiệu ứng tái chuẩn hóa Coulomb đặc biệt được phát hiện trong thủy ngân có thể được khai thác để chế tạo các vật liệu mới, với mật độ điện tử có cấu hình trạng thái tương tự như thủy ngân, cung cấp một nút bổ sung để nâng cao nhiệt độ tới hạn của vật liệu”. “Chúng tôi hiện đang khám phá khả năng này.”
