Чистый кристаллический висмут может быть сверхпроводником

Кристаллический висмут
Висмут.

Индийские учёные из Института фундаментальных исследований Тата (Tata Institute of Fundamental Research, TIFR) провели эксперимент, в ходе которого обнаружили сверхпроводимость у монокристалла висмута при температуре 0,00053 К и нормальном давлении. Это открытие требует обновления теории сверхпроводимости, так как теория Бардина — Купера — Шриффера (БКШ) не объясняет наблюдаемого явления.

Монокристалл висмута — объёмный материал с крайне низкой плотностью носителя заряда, это значение порядка одного электрона на сто тысяч атомов. Считалось маловероятным, что у такого материала можно найти сверхпроводимость, однако индийским исследователям это удалось. Для этого им потребовалось самое современное оборудование: магнитометр высокой чувствительности и построенный в 2011 году холодильник, работающий на принципе ядерного адиабатического размагничивания. Это установка, способная охладить 5 кг меди до 0,00039 К и поддерживать эту температуру более чем 36 часов.

Сверхпроводимость — это не только способность материала обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при охлаждении ниже определённой температуры. Это состояние характеризуется и так называемым эффектом Мейснера, при котором магнитное поле полностью вытесняется из объёма проводника. Именно такое вытеснение и было зафиксировано в лаборатории TIFR.

Для эксперимента потребовался монокристалл висмута предельно возможной чистоты (99,998%) и тщательное экранирование области эксперимента от воздействия внешних магнитных полей. Таким образом, удалось вычислить критическое поле висмута как сверхпроводника — это 0,000005 Тл (почти 1/8 магнитного поля Земли).

Поиск сверхпроводимости висмута был начат почти полвека назад, и сверхпроводимость была обнаружена в других формах существования элемента — тонких плёнках, наночастицах, наностержнях, в аморфной форме, а также в условиях высокого давления. Сверхпроводимость в монокристалле висмута не только считалась маловероятной, но не может быть описана с точки зрения стандартной теории сверхпроводимости, так как свойства висмута не удовлетворяют основным приближениям теории.

О каком-то практическом применении новых экспериментальных данных говорить преждевременно. Однако руководитель исследования профессор Шринивасан Рамакришнан (Srinivasan Ramakrishnan) отметил важность подобного рода фундаментальных исследований. Так, человечеству потребовалось 60 лет, чтобы пройти путь от открытия сверхпроводимости до создания сверхпроводящих магнитов. И потом, напомнил профессор Рамакришнан, «потребовалось 10 лет развития сверхпроводящих магнитов, чтобы они стали пригодны для практического применения». Сейчас такие магниты используются в аппаратах МРТ, а также в экспериментальных установках, в том числе Большом адронном коллайдере.

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объёма сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4,2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешёвой криогенной жидкости.