Сверхпроводящий висмут реален, и это заставляет нас переосмыслить природу сверхпроводимости

Висмут — один из самых странных элементов в периодической таблице, но его внутренние свойства стали еще более странными. Ученые обнаружили, что в долю от абсолютного нуля (-273.15 ° C) висмут становится сверхпроводником — материалом, который может проводить электричество без сопротивления.

Согласно современной теории сверхпроводимости, это не имеет большого смысла, потому что уже 40 лет ученые полагают, что сверхпроводящие материалы должны быть в изобилии в свободно текущих подвижных электронах. Но в висмуте есть только один подвижный электрон на каждые 100 000 атомов.

«В общем, соединении, которые проявляют сверхпроводимость имеется примерно один мобильный электрон на атом», Сринивасан Рамакришнан из Тата Института фундаментальных исследований в Индии объяснила химию мира.

«Однако в висмуте один подвижный электрон разделен на 100 000 атомов, поскольку плотность носителей настолько мала, что люди не считают, что висмут будет сверхпроводником».

«Плотность носителей» материала описывает количество электронов на объем, а обнаружение того, что висмут обладает сверхпроводящими свойствами, делает его самым низким сверхпроводником плотности носителей, когда-либо найденным.

Несмотря на то, что при комнатной температуре висмут обладает невероятно высоким электрическим сопротивлением, уровни теплопроводности, ниже, чем любой металл, кроме ртути, ученые уже десятилетиями пытаются обнаружить сверхпроводимость.

Теория Нобелевской премии была поставлена ​​под сомнение

Сверхпроводимость дает материалам способность переносить электрический ток со 100-процентной эффективностью, и, если бы мы могли достичь этого при комнатной температуре, это изменило бы способ использования энергии навсегда.

К сожалению, ученые изо всех сил пытались получить материалы для перехода в сверхпроводящую форму во что угодно, кроме невероятно холодных температур, близких к абсолютному нулю (-273.15 ° C или -459.67 ° F).

Поэтому исследователи охлаждают чистый висмут до крайне низких температур, чтобы убедиться, что он совершает переход, но как только они достигли сумасшедшей низкой температуры 0,01 кельвина (1 ° C = 274,15 K) и до сих пор ничего не нашли.

«Последняя работа, выполненная в висмуте, показала, что она не сверхпроводящая до 0,01 кельвина. Это было сделано 20 лет назад, и исследователи отказались от дальнейших исследований», — сказал Рамакришнан Васудевану Мукунту в The Wire.

Рамакришнан и его команда решили продолжать попытки, и в итоге обнаружили, что это желанная сверхпроводящая собственность составляет 0,00053 кельвина. Это 5 десятитысячных градусов выше абсолютного нуля.

В прошлом исследователи обнаружили сверхпроводящие свойства в нечистых или аморфных (не кристаллических) формах висмута, но только при очень высоких давлениях. Это первый признак сверхпроводящего висмута в его нормальной форме и при атмосферном давлении.

В то время как 0,00053 кельвина не является точно практической температурой для достижения сверхпроводимости, — ученые во всем мире работают лихорадочно, чтобы добиться сверхпроводимости в любом материале при комнатной температуре — факт, что висмут является сверхпроводником при любой температуре, странный.

Согласно теории Бардина-Купера-Шриффера (или теории БКШ) сверхпроводимости, для которой была присуждена Нобелевская премия по физике 1972 года, явление достигается, когда подвижные электроны объединяются в пары и протекают через материал, не подверженный воздействию.

Как объясняет Мукунд:
«Чтобы иметь возможность проводить электричество, атомы металла должны иметь некоторые подвижные электроны, которые могут двигаться по всему металлу, а не быть захваченными вокруг атомов.В сверхпроводящих металлах, которые были охлаждены до низких температур, эти электроны преодолевают отталкивание из-за их «подобных» зарядов, объединяются и образуют пары».

Но как можно поддерживать сверхпроводимость в висмуте с одним подвижным электроном на каждые 100 000 атомов?
Если вы применили теорию сверхпроводимости БКС для висмута, она предсказывает, что это явление может иметь место только при температурах в 1000 раз ниже, чем 0,00053 кельвина — почти непостижимого холодного состояния.

«Эта плотность носителей настолько мала, что, если мы установим сверхпроводимость [в висмуте], традиционная теория БКШ не может ее объяснить», — сказал Рамакришнан. «Теперь нам нужен новый механизм сверхпроводимости в висмуте».

Ученые продолжают работать над данным вопросом.