100 多年前，物理学家 海克·卡默林·昂内斯 发现固体汞具有超导体的作用。 现在，物理学家第一次对为什么会这样有了完整的微观理解。 意大利拉奎拉大学的一个团队使用现代第一性原理计算方法，发现了汞的电子和晶格特性的几个异常现象，包括迄今为止未描述的电子屏蔽效应，该效应通过减少超导电子对之间的排斥力来促进超导性。 该团队还确定了汞的超导相变发生的理论温度——以前在凝聚态教科书中没有的信息。
超导性是一种材料在没有任何阻力的情况下导电的能力。 当许多材料冷却到临界温度以下时，会在许多材料中观察到 Tc 这标志着向超导状态的转变。 在传统超导性的 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理论中，当电子克服它们的相互电排斥形成所谓的“库珀对”，然后作为超电流不受阻碍地穿过材料时，就会发生这种转变。
1911 年，当 Onnes 将这种元素冷却到液氦温度时，固体汞成为第一个已知的超导体。 虽然它后来被归类为传统超导体，但其行为从未得到充分解释，其临界温度也未被预测——这种情况 吉安娜普罗费塔领导最近修复这一疏忽的努力的人称其为“具有讽刺意味的”。
“虽然它的临界温度与高温相比极低-Tc 作为铜酸盐（氧化铜）和高压氢化物等材料，汞在超导历史上发挥了特殊作用，成为 1960 年代初期和 1970 年代早期现象学理论的重要基准，”Profeta 说。 “这确实具有讽刺意味，汞，这种首次报道超导性的元素，迄今为止从未通过现代超导体第一性原理方法进行过研究。”
不需要经验甚至半经验参数
在他们的工作中，Profeta 和他的同事从一个反事实开始：如果 Onnes 在 1911 年没有发现水银的超导性，科学家们是否可以使用最先进的计算技术预测它今天的存在？ 为了回答这个问题，他们使用了一种称为超导密度泛函理论 (SCDFT) 的方法，该方法被认为是描述现实世界材料超导特性的最准确方法之一。
Profeta 解释说，在像 SCDFT 这样的第一性原理方法中，描述材料中原子核和电子行为的基本量子力学方程是用数值求解的，没有引入任何经验甚至半经验参数。 SCDFT 所需的唯一信息是形成给定材料的原子在空间中的排列，尽管通常采用一些标准近似值来保持计算时间的可控性。
使用这种技术，研究人员发现，一系列现象共同促进了汞的超导性。 他们发现的行为包括对材料晶体结构的异常相关效应； 对其电子结构的相对论修正改变了声子的频率，声子是晶格的振动； 以及由于低位（约 10 eV）引起的电子间残余库仑排斥的异常重整化 d-状态。
Profeta 说，这种效应在大多数（传统）超导体中可能被忽略了，但在汞中却没有。 特别是屏蔽效应使元件的有效临界温度提高了 30%。 “在这项研究中，我们意识到，虽然水银因其简单的结构和化学性质而被认为是一个相当简单的系统，但它实际上是我们遇到过的最复杂的超导体之一，”Profeta 说。 物理世界.
自旋轨道耦合效应很重要
考虑到所有这些因素后，研究人员预测 Tc 对于实际实验测量值的 2.5% 以内的汞。 他们还发现，如果计算中不包括自旋轨道耦合（电子自旋与其围绕原子核的轨道之间的相互作用）等相对论效应，一些声子模式会变得不稳定，表明系统倾向于扭曲成不太对称的结构。 因此，这种效应在确定汞的临界温度方面起着至关重要的作用。 “正如我们的日常经验所示，室温下的汞处于一种相当不寻常的液态金属状态，这反映在能量非常低（但并非不稳定）的声子模式中，”Profeta 解释道。 “准确描述这些模式需要特别小心。”
庆祝超导一百周年……
研究人员声称他们的工作详述于 体检B, 具有重要的历史意义。 “我们现在知道了第一个发现的超导体的微观机制，并确定了它的超导相变——这是第一个被发现的超导体所缺乏的信息，”Profeta 说。
他补充说，这种对世界上最古老的超导体的新理解，只有通过高通量计算才能通过材料设计方法实现。 这样的计算能够筛选出数百万种理论材料组合，并挑选出那些在接近环境条件下可能是传统超导体的材料组合。 找到这种室温超导材料将极大地提高发电机和传输线的效率，并简化超导性的常见应用，例如粒子加速器和 MRI 机器中的超导磁体。
“在汞中发现的奇特的库仑重整化效应可用于设计新材料，其电子态密度分布与汞相似，提供了一个额外的旋钮来提高材料的临界温度，”Profeta 说。 “我们现在正在探索这种可能性。”
