Gennaio 27, 2023

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Mercury Mystery Unraveled – I fisici spiegano un’anomalia sconcertante nell’antenato di tutti i superconduttori

La stranezza iniziale: 111 anni fa, il mercurio è stato il primo materiale in cui è stata dimostrata la superconduttività. Ma perché questo metallo sia in grado di condurre improvvisamente elettroni senza attrito quando si raffredda rimane poco chiaro fino ad oggi. I fisici hanno ora rivelato il segreto del mercurio superconduttore. Secondo questo, un metallo pesante è un superconduttore convenzionale, ma gli effetti relativistici causano un comportamento anomalo dei suoi elettroni e vibrazioni nel reticolo atomico.

Mercurio ha un nucleo atomico straordinariamente ricco di neutroni, e quindi pesante, che è ciò che lo rende così eccentrico. © jcrosemann / iStock

Mercurio È una palla davvero strana: è l’unico minerale che è un liquido a temperatura ambiente. Ciò è dovuto ai nuclei atomici particolarmente pesanti e ricchi di neutroni di questo elemento. Anche allo stato liquido, conferiscono al metallo argento pesante una densità così alta che un pezzo di ferro galleggia nel mercurio. Inoltre, gli 80 elettroni nel mercurio ruotano attorno al nucleo pesante a una velocità così elevata Effetti relativi Venga. Questi impediscono al metallo di cristallizzare e lo mantengono liquido più a lungo del solito.

In che modo il mercurio è diventato il primo superconduttore?

111 anni fa, questo metallo esotico fu il primo materiale in cui il fisico Heike Kamerlingh Onnes dimostrò la superconduttività: quando raffreddò il mercurio con elio liquido nel 1911, scoprì qualcosa di sorprendente: sotto i 4,15 K un metallo pesante conduttivo naturalmente debole perse improvvisamente energia elettrica. resistenza. Ha scoperto il primo superconduttore. Ma perché il mercurio e altri metalli potessero diventare superconduttori non è stato chiaro per molto tempo.

Fu solo quasi 50 anni dopo che John Bardeen, Leon Neal Cooper e John Robert Shriver scoprirono una spiegazione teorica per la superconduttività classica nei metalli. Secondo questa teoria BCS, gli elettroni del metallo rilasciano energia durante il raffreddamento, il che provoca speciali vibrazioni reticolari, chiamate fononi. Questo, a sua volta, consente la formazione di coppie di Cooper – coppie di elettroni con lo stesso spin che possono muoversi senza perdite nel metallo grazie ai meccanismi della meccanica quantistica.

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I metalli pesanti non corrispondono alla teoria

Il problema era che questo modello classico non sembrava adattarsi al mercurio di tutte le cose, l'”antenato” di tutti i superconduttori. Tutto dice che il mercurio appartiene ai superconduttori convenzionali e forma coppie di Cooper. Ma se provi a ricostruire il suo comportamento e la temperatura di transizione in modelli fisici, i risultati differiscono notevolmente dalle osservazioni.

“Sebbene il mercurio sia il più antico superconduttore conosciuto, questo metallo manca in tutti gli attuali database di superconduttori”, riferiscono Cesare Tresca dell’Università dell’Aquila in Italia e colleghi. Ora ho di nuovo analizzato sistematicamente tutte le proprietà superconduttive del mercurio usando le più recenti teorie funzionali della densità meccanica quantistica. Questo descrive gli stati di un sistema di molte particelle in funzione della densità elettronica e della distribuzione.

Gli effetti relativistici sono anche nella superconduttività

Le analisi hanno rivelato che gli effetti relativistici dei nuclei di atomi di mercurio pesanti causano anche molte anomalie nella superconduttività. Tresca e colleghi riferiscono: “Tutte le proprietà fisiche rilevanti per la superconduttività convenzionale, inclusa la struttura elettronica, lo scattering di fononi, l’accoppiamento elettrone-fonone e la matrice di Coulomb, sono anomale nel mercurio per almeno un aspetto”.

Ad esempio, gli effetti relativistici dei nuclei atomici alterano la frequenza delle vibrazioni del reticolo che derivano dal rilascio di energia degli elettroni. Anche gli orbitali d di Mercurio, che sono avvicinati al nucleo e completamente riempiti, provocano un effetto schermante. Ciò riduce la repulsione tra gli elettroni e quindi migliora la superconduttività. Anche le coppie Cooper si comportano in modo diverso quando si tratta di Mercury rispetto ai modelli classici.

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L’accordo finalmente

Dopo aver tenuto conto di questi effetti in un nuovo modello, i fisici sono riusciti per la prima volta a modellare il comportamento di un superconduttore di mercurio con una deviazione inferiore al 2,5%. Non solo chiariscono la questione di come e perché il mercurio è superconduttore, argomento dibattuto da 111 anni, ma le loro scoperte potrebbero anche essere importanti per la ricerca sui nuovi superconduttori.

Tresca e il suo team sottolineano: “I nostri risultati mostrano che anche con una sostanza apparentemente semplice come il mercurio, non si possono semplicemente accettare ciecamente ipotesi generali”. “Se non teniamo conto di effetti sottili come le anomalie ora identificate, potremmo perdere molti materiali interessanti o stimare completamente le temperature di transizione critiche”. (Revisione fisica B, 2022; doi: 10.1103/PhysRevB.106.L180501)

Fonte: American Physical Society (APS)