Pred več kot 100 leti je fizik Heike Kamerlingh Onnes odkrili, da trdno živo srebro deluje kot superprevodnik. Zdaj imajo fiziki prvič popolno mikroskopsko razumevanje, zakaj je temu tako. Z uporabo sodobne računalniške metode prvih principov je skupina z Univerze v L'Aquili v Italiji našla več anomalij v elektronskih in mrežnih lastnostih živega srebra, vključno z doslej neopisanim učinkom presejanja elektronov, ki spodbuja superprevodnost z zmanjšanjem odbijanja med pari superprevodnih elektronov. Skupina je določila tudi teoretično temperaturo, pri kateri pride do superprevodnega faznega prehoda živega srebra – informacija, ki je prej ni bilo v učbenikih o kondenzirani snovi.

Superprevodnost je sposobnost materiala, da prevaja elektriko brez kakršnega koli upora. Opazimo ga pri mnogih materialih, ko so ohlajeni pod kritično temperaturo T_c ki označuje prehod v superprevodno stanje. V teoriji konvencionalne superprevodnosti Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) se ta prehod zgodi, ko elektroni premagajo medsebojno električno odbojnost in tvorijo tako imenovane "Cooperjeve pare", ki nato neovirano potujejo skozi material kot supertok.

Trdno živo srebro je postalo prvi znani superprevodnik leta 1911, ko je Onnes element ohladil na temperature tekočega helija. Medtem ko so ga pozneje uvrstili med običajne superprevodnike, njegovo obnašanje ni bilo nikoli v celoti pojasnjeno, niti ni bila predvidena njegova kritična temperatura – situacija, ki Gianna Profeta, ki je vodil nedavna prizadevanja za popravo te pomanjkljivosti, imenuje "ironično".

"Medtem ko je njegova kritična temperatura izjemno nizka v primerjavi z visokoT_c materialov, kot so kuprati (bakrovi oksidi) in visokotlačni hidridi, je imelo živo srebro posebno vlogo v zgodovini superprevodnosti in je služilo kot pomembno merilo za fenomenološke teorije v zgodnjih šestdesetih in sedemdesetih letih prejšnjega stoletja,« pravi Profeta. "To je res ironično, da živo srebro, element, v katerem so prvič poročali o superprevodnosti, doslej še nikoli ni bilo raziskano s sodobnimi metodami prvih principov za superprevodnike."

Empirični ali celo polempirični parametri niso potrebni

Pri svojem delu so Profeta in sodelavci začeli s protidejstvenimi ugotovitvami: če Onnes leta 1911 ne bi odkril superprevodnosti v živem srebru, ali bi lahko znanstveniki napovedali njegov obstoj danes z uporabo najsodobnejših računalniških tehnik? Za odgovor na to vprašanje so uporabili pristop, imenovan SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), ki velja za enega najnatančnejših načinov opisovanja superprevodnih lastnosti materialov v resničnem svetu.

Pri pristopih na podlagi prvih principov, kot je SCDFT, pojasnjuje Profeta, so temeljne enačbe kvantne mehanike, ki opisujejo obnašanje jeder in elektronov v materialih, rešene numerično, brez uvajanja kakršnih koli empiričnih ali celo polempiričnih parametrov. Edina informacija, ki jo zahteva SCDFT, je razporeditev atomov v prostoru, ki tvorijo dani material, čeprav se običajno uporabljajo nekateri standardni približki, da se računski časi ohranijo obvladljivi.

Z uporabo te tehnike so raziskovalci ugotovili, da se množica pojavov združuje in spodbuja superprevodnost v živem srebru. Obnašanje, ki so ga odkrili, je vključevalo nenavadne korelacijske učinke na kristalno strukturo materiala; relativistični popravki njegove elektronske strukture, ki spreminjajo frekvence fononov, ki so vibracije kristalne mreže; in nenormalna renormalizacija preostalega Coulombovega odbijanja med elektroni zaradi nizko ležečega (pri približno 10 eV) d-navaja.

Takšni učinki bi lahko bili in so bili zanemarjeni v večini (konvencionalnih) superprevodnikov, pravi Profeta, vendar ne v živem srebru. Učinek presejanja zlasti povzroči 30-odstotno povečanje efektivne kritične temperature elementa. "V tej študiji smo ugotovili, da čeprav je živo srebro zaradi svoje nezapletene strukture in kemije veljalo za precej preprost sistem, je v resnici eden najbolj zapletenih superprevodnikov, kar smo jih srečali," pravi Profeta. Svet fizike.

Učinki sklopitve med vrtenjem in orbito so pomembni

Po upoštevanju vseh teh dejavnikov so raziskovalci napovedali a T_c za živo srebro, ki je bilo znotraj 2.5 % dejanske eksperimentalno izmerjene vrednosti. Ugotovili so tudi, da če relativistični učinki, kot je sklopitev spin-orbita (interakcija med spinom elektrona in njegovo orbito okoli atomskega jedra), niso bili vključeni v izračune, so nekateri fononski načini postali nestabilni, kar kaže na težnjo sistema k izkrivljajo v manj simetrično strukturo. Takšni učinki imajo torej ključno vlogo pri določanju kritične temperature živega srebra. »Kot kažejo naše vsakodnevne izkušnje, je živo srebro pri sobni temperaturi v precej nenavadnem stanju tekoče kovine, kar se odraža v zelo nizkoenergijskih (vendar ne nestabilnih) fononskih načinih,« pojasnjuje Profeta. "Natančen opis teh načinov zahteva posebno pozornost."

Raziskovalci trdijo, da je njihovo delo, ki je podrobno opisano v Fizični pregled B, je zgodovinskega pomena. "Zdaj poznamo mikroskopske mehanizme, ki se igrajo v prvem odkritem superprevodniku, in smo določili njegov superprevodni fazni prehod - informacije, ki so manjkale za prvi odkriti superprevodnik," pravi Profeta.

To novo razumevanje najstarejšega superprevodnika na svetu, čeprav je bil pristop glede na material po načrtu mogoč le zaradi visoko zmogljivih izračunov, dodaja. Takšni izračuni so sposobni pregledati na milijone teoretičnih materialnih kombinacij in izbrati tiste, ki bi lahko bili običajni superprevodniki pri pogojih, ki so blizu okoljskim. Iskanje takšnih superprevodnih materialov pri sobni temperaturi bi močno izboljšalo učinkovitost električnih generatorjev in prenosnih vodov ter poenostavilo običajne uporabe superprevodnosti, kot so superprevodni magneti v pospeševalnikih delcev in strojih MRI.

"Nenavadne Coulombove renormalizacijske učinke, odkrite v živem srebru, bi lahko izkoristili za načrtovanje novih materialov, s profilom elektronske gostote stanj, podobnim živemu srebru, ki zagotavlja dodaten gumb za povečanje kritične temperature materialov," pravi Profeta. "Zdaj raziskujemo to možnost."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/mercurys-superconductivity-explained-at-long-last/