汞，也被称为水银，是一种多功能的金属，它展现出一些极为独特且不寻常的属性-在室温下维持液态。对物理学家来说，汞的另一个特性同样令人着迷，它是第一个被发现具有超导现象的材料。
汞的超导性的发现历程1911年，科学家Heike Kamerlingh Onnes（海克·卡末林·昂内斯）在研究汞的电学特性时，通过液氦将汞线冷却至大约4开尔文（-269摄氏度，仅高于绝对零度4度），他意外地观察到汞的电阻突然降为零，使得电流能够在无热损耗的情况下持续流动。
1957年，物理学家John Bardeen（约翰·巴丁）、Leon Cooper（利昂·库珀）和Robert Schrieffer（罗伯特·施里弗）提出了一种理论，该理论阐明了低温下超导现象的机制。他们提出，在低温条件下，移动的电子在超导体中会形成配对，即“库珀对”，这些电子对能够在晶格中无损耗地移动，形成超导电流。
以这三位科学家姓氏的首字母命名的BCS理论，解释了大多数“常规”超导体在低温条件下的超导机制，但汞却是个例外，BCS理论并未能完全解释其超导性。
汞的超导性异常：
尽管汞自发现以来一直被视为常规超导体，但其行为一直未能得到充分解释，且其临界温度也未被准确预测。不过，意大利拉奎拉大学的理论物理学家团队最近在《物理评论B》上发表的研究中，利用现代第一性原理计算方法，为汞的超导性提供了完整的微观解释。他们揭示了汞的电子和晶格性质中的多种异常，并计算出了汞的理论临界温度，填补了教科书中的空白。
研究团队的工作基于一个反事实的假设：如果昂内斯在1911年没有发现汞的超导性，那么现有的最先进计算技术是否能够预测它的存在？他们采用了超导密度泛函理论（DFT）方法，这是一种能够成功描述现实世界中大多数材料超导性的方法。
在这种方法中，描述材料中原子核和电子行为的量子力学方程完全依靠数值方法求解，不依赖任何经验或半经验数值。这种方法所需的唯一信息是构成材料的原子在空间中的排列。
通过这种方法，研究人员详细分析了所有与常规超导相关的物理性质，发现汞的超导性是由多种现象共同作用的结果。这些现象包括晶体结构中不寻常的相关效应、电子结构的相对论修正（这会改变声子频率）、以及电子间的剩余库仑斥力的异常重整化。
在大多数常规超导体中，这些效应可以忽略不计，但对汞而言却至关重要。例如，如果不包括相对论效应，某些声子模式将变得不稳定。再如，电子通过屏蔽效应减少超导电子对之间的斥力，从而促进超导性，如果不计入这种效应，对汞临界温度的计算将产生严重偏差。
这些发现表明，为了更深入地理解汞的超导性并准确确定其理论临界温度，必须考虑所有这些效应。在将所有因素纳入计算后，研究人员得出的理论临界温度与实验测量值的误差不到2.5%。
汞的超导性能否应用于核聚变技术
汞的超导性没有被广泛应用于核聚变技术中，以下是我罗列的一些原因：
- 温度要求：汞的超导性需要在极低的温度下才能实现，这需要昂贵的液氦进行冷却，对于需要大规模和持续运行的核聚变反应堆来说，这在经济上并不实际。
- 材料限制：汞是一种有毒的重金属，其使用和处理都会带来环境和健康风险。
- 技术发展：随着科技的进步，研究者发现了其他类型的超导材料，如NbTi、Nb3Sn以及高温超导材料如YBCO等，这些材料在更高的临界温度下表现出超导性，更适合于核聚变技术的应用。
- 新型超导材料：近年来，高温超导材料的研究取得了显著进展，我们昨天介绍CFS时提到的REBCO（稀土钡铜氧化物）材料的应用，它们可以在更高的温度下工作，且具有更强的导电性，更适合核聚变磁体的应用。
参考链接：
- https://new.qq.com/rain/a/20221221A07YJQ00
- https://news.ustc.edu.cn/info/1056/85075.htm
- https://physics.aps.org/articles/v15/s155
- https://baike.sogou.com/v300869.htm