Italialaisen tutkijaryhmän johtaja ennustaa, että paremmat laskennalliset menetelmät auttavat haravoimaan uusia mahdollisia suprajohteita.
Keväällä 1911 alankomaalainen fyysikko Heike Kammerlingh Onnes löysi suprajohtavuuden, kun hän havaitsi elohopean sähkövastuksen katoavan alle 4,2 kelvinasteen lämpötilassa. Vasta nyt eli 111 vuotta myöhemmin täydellinen atomitason mekanismi elohopean suprajohtavuuden takana on saatu selitetyksi, uutisoi APS Physics.
Gianni Profetan johtaman italialaisen tutkijaryhmän suorituksessa ei ole kyse siitä, etteivätkö fyysikot tietäisi mitään suprajohtavuuden mekanismeista yleisesti tai elohopean suprajohtavuuden syistä erityisesti.
Päinvastoin. Reilut 40 vuotta Kammerlingh Onnesin historiallisen löydön jälkeen vuonna 1957 amerikkalaiset John Bardeen, Leon Cooper ja John Robert onnistuivat selvittämään niin sanottujen tavanomaisten suprajohteiden synnyn elektronien pariutumisen eli Cooperin parien kautta.
Myös elohopea on tavanomainen suprajohde, ja tällä yleisellä tasolla sen suprajohtavuuden syy on tunnettu.
1990-luvulta alkaen elohopean suprajohtavuudesta kuitenkin muodostui fyysikoille ongelma uudemman kerran. Tuolloin perinteisten suprajohteiden ominaisuuksia – esimerkiksi kriittistä lämpötilaa – alettiin ennustaa kvanttifysikaalisilla tietokonemalleilla. Tutkijoiden tieteellisen artikkelin mukaan elohopean tapauksessa laskut eivät ole täsmänneet todellisiin havaintoihin sitten mitenkään, vaikka useimmilla tavanomaisilla suprajohteilla simulaatiot onnistuivat alusta asti milteipä odottamattoman helposti.
Tästä syystä elohopea ”puuttuu yhä mystisesti kaikista nykyisistä suprajohtavuutta koskevista laskennallisista tietokannoista”, tutkijat kirjoittavat.
Nyt Profetan ryhmä rakensi entistäkin yksityiskohtaisemman mallin. Tutkijat huomioivat kaikki mahdolliset elohopean ominaisuudet, joiden voitiin kuvitella vaikuttavan suprajohtavuuteen. Erityisen tärkeää oli APS Physicsin mukaan relativistiset eli suhteellisuusteorian mukaiset korjaukset elohopeakiteen fononien eli kidevärähtelykvanttien taajuuksissa.
Lisäksi fyysikkoryhmä huomioi elektronien keskinäiset vuorovaikutukset aiempaa tarkemmin. Tämä paljasti elohopea-atomien 5d-orbitaalien elektronien ”piilottavan” muita elektroneja naapuriatomeilta, niin että Cooperin elektroniparien sähköstaattinen hylkimisvoima lievenee.
Profeta ennustaa, että paremmat laskennalliset menetelmät auttavat haravoimaan uusia mahdollisia suprajohteita. Jos hienovaraisia ilmiöitä ei huomioida, laskuissa saattaa jäädä huomaamatta vaihtoehtoja.
Tieteellinen artikkeli on julkaistu Physical Review B -lehdessä. Alustava versio siitä on vapaasti luettavissa Arxiv-palvelussa. Artikkelin ensimmäiseksi kirjoittajaksi on merkitty Cesare Tresca. Tämä maininta tarkoittaa yleensä suurinta käytännön vastuuta työstä.