为什么液态汞不是晶体类型（汞的超导性终于得到解释）

一种不同寻常的常见材料

汞（Hg），又称水银，是一种应用广泛的金属。然而，它有着许多非常不同寻常的性质，比如它是唯一一种在室温下处于液态的金属。对许多物理学家来说，它的另一个“身份”更令人着迷——它是第一个已知的超导材料。

1911年，物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现固体汞具有超导特性。在研究汞的电学效应时，他用液氦将一根汞线冷却到4K（-269℃，比绝对零度高4度）左右，这时他观察到：汞的电阻突降为零，电流在没有任何热损耗的情况下不间断地流动。

1957年，物理学家巴丁（John Bardeen）、库珀（Leon Cooper）和施里弗（Robert Schrieffer）提出了可以阐明这种“低温超导”现象的理论，表明在低温环境下，移动的电子在超导体中会形成一对一对的电子对，即所谓的“库珀对”，这些库珀对在晶格中可以无损耗运动，形成超导电流。

这个以他们三人的名字的缩写命名的BCS理论，几乎解释了所有“常规”超导体的低温超导机制——汞却是其中的例外！

最后剩下的秘密

虽然汞自发现以来就被归类为常规超导体，但一直以来，它的行为从未得到充分解释，其临界温度也从未得到准确预测。现在，意大利拉奎拉大学的一个理论物理学家团队终于为它的超导性提供了完整的微观理解。

在一项于近期发表在《物理评论B》的研究中，利用现代第一性原理计算方法，研究人员揭示了汞最后剩下的秘密。他们发现，汞的电子和晶格性质中存在许多异常，并计算出了汞发生超导时的理论临界温度，填补了这一信息在凝聚态教科书中的空白。

在新的研究工作中，研究人员的工作始于一个反事实的思路：如果昂内斯没有在1911年发现汞中的超导性，那么能否用现有的最先进的计算技术，预测它的存在？

为了回答这个问题，他们使用了一种被称为超导密度泛函理论（DFT）的方法，这种方法可以成功描述现实世界中大多数材料的超导性。

在这种方法中，用于描述材料中的原子核和电子的行为的量子力学方程，都是依靠数值方法求解的，不涉及任何经验或半经验数值。这种方法所涉及的唯一信息就是构成这种材料的原子在空间中的排列。

一些异常的效应

利用这种方法，研究人员仔细分析了与常规超导有关的所有物理性质，发现汞的超导性是由一系列现象共同促进的。这些现象包括材料晶体结构中不寻常的相关效应；会改变声子（晶格的振动）频率的电子结构的相对论修正；电子间的剩余库仑斥力的异常重整化。

这些效应在大多数常规超导体中都可以被忽略，但对汞来说却不行。举例来说，如果不将相对论效应包括在计算中，那么一些声子模式就会变得不稳定。再比如说，电子会通过一种屏蔽效应来减少超导电子对之间的斥力，从而促进超导性，如果不将这种效应考虑在内，对汞的临界温度的计算就会出现严重偏差。

这些情况都表明，若要更好地理解汞的超导性，确定汞的理论临界温度，就必须将这些效应全部考虑在内。在将所有的因素都纳入计算中之后，研究人员计算出，汞的理论临界温度只与实际的实验测量值相差不到2.5%。

写进教科书的新认知

这是一项具有历史性的重要意义的工作，它让研究人员深刻地意识到，虽然汞有着看似简单的结构和化学性质，但它实际上可能是最复杂的超导体之一。

在昂内斯发现汞的超导性的111年后，物理学家终于知道了在最早发现的超导体中起作用的微观机制，并确定了它的临界温度。对汞的超导性的新理解将被写进教科书中，也将为超导研究提供宝贵的信息。

这样的认知只能通过“高通量”计算才能实现。利用这种计算，科学家们可以筛选出数百万种理论材料，从而有可能挑选出那些在接近室温的环境条件下具有常规超导性的潜在材料。

参考来源：

https://physics.aps.org/articles/v15/s155

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.L180501

https://physicsworld.com/a/mercurys-superconductivity-explained-at-long-last

封面图 & 首图：Gianni Profeta and Cesare Tresca/University of L’Aquila via APS