Монокристаллический висмут оказался сверхпроводником

Индийские физики открыли, что такой материал как монокристалл висмута становится сверхпроводником при сверхнизких температурах 0,53 милликельвин и при нормальном давлении. В других формах висмута — в тонких пленках, наночастицах или наностержнях, в аморфной форме и под давлением — сверхпроводимость уже была обнаружена. Проявление же эффекта в объемном материале считалось маловероятным из-за очень низких значений плотности носителей заряда. Таким образом, данное открытие поставило точку в более чем пятидесятилетнем научном споре о том, является ли объемный висмут сверхпроводником или нет. Работа опубликована в журнале Science.

Сверхпроводимость — это явление падения сопротивления материала до величин, неотличимых от абсолютного нуля, при температуре ниже некоторой критической. Уже сейчас эти материалы активно применяются в различных областях: от медицины до физики высоких энергий. С ними также связаны и надежды на будущие прорывные технологии, такие как передача электричества без потерь энергии на нагрев проводов, создание поездов на магнитной подушке (маглевов), левитирующих ховербордов и др.

Сверхпроводимость, как оказалось, проявляется у огромного количества соединений — в простых элементах, металлооксидах, органических проводниках, фуллеридах металлов, в дибориде магния, железосодержащих арсенидах и халькогенидах, даже в гидросульфидах под давлением. Но до сих пор, через более чем 100 лет с момента открытия этого явления, у сверхпроводимости остается одна «проблема» — критическая температура, которая определяет, насколько сильно нужно охлаждать материал, чтобы в нем проявилось это свойство. Она остается слишком низкой для возможности их повсеместного применения — материалы приходится охлаждать жидким азотом или даже дорогостоящим жидким гелием.

Однако физики, которые занимаются исследованием новых сверхпроводников, обычно не ставят целью повысить их критическую температуру. Ученые считают, что само по себе открытие новых сверхпроводников и изучение механизмов возникновения этого явления со временем поможет либо найти способ сконструировать, например, комнатно-температурный сверхпроводник, либо доказать, что это сделать невозможно.

Для доказательства сверхпроводимости в каком-либо соединении необходимо показать наличие в нем одновременно двух эффектов, проявляющихся ниже критической температуры: 1) резкое падение сопротивления материала до значений, экспериментально неотличимых от нуля; 2) и эффект Мейснера — выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводника, то есть проявление сильного диамагнетизма ниже критической температуры. При этом величина эффекта в сверхпроводниках гораздо выше, чем в обычных диамагнетиках: сверхпроводники могут практически полностью выталкивать магнитное поле из своего объема

Авторы новой работы пока что доказали наличие только одного из двух эффектов для монокристаллов висмута — эффекта Мейснера. Экспериментально его можно наблюдать как скачок на температурной кривой магнитной восприимчивости вещества: ниже критической температуры она становится отрицательной, что соответствует диамагнитным свойствам.

Для прямого измерения эффекта Мейснера авторы использовали СКВИД-магнитометр. Главным элементом этого прибора является сверхпроводящее кольцо со специальными дефектами (их называют джозефсоновскими контактами), благодаря которым оно становится одним из самых чувствительных датчиков намагниченности. Согласно измерениям критическая температура для висмута оказалась очень мала — 0,53 милликельвин (0 градусов по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю температур, по шкале Цельсия он составляет порядка минус 273,15°С).

Для проведения измерений авторам пришлось не только задействовать специальную аппаратуру для создания и поддержания сверхнизких температур, но и исключить влияние на образец разрушающих сверхпроводимость магнитных полей, источником которых могла являться как внешняя среда, так и примеси внутри образца. Для проведения эксперимента ученые вырастили несколько сверхчистых кристаллов висмута, а для защиты от внешнего поля прибор экранировали с помощью нескольких слоев сверхпроводящего свинца, а также никель-содержащего сплава Cryoperm 10.

Исходя из полученных данных, авторы также оценили величину критического поля, которая показывает, в магнитное поле какой индукции необходимо поместить образец, чтобы разрушить его сверхпроводимость. Она оказалась равна 5,2 микротесла при температуре абсолютного нуля по кельвину, соответственно, при температурах измерения критическое поле было еще меньше. Для сравнения, это примерно в десять раз меньше, чем среднее магнитное поле на поверхности Земли, и в тысячу раз меньше, чем поле стандартного сувенирного магнита для холодильников.

Висмут является уникальным материалом, с помощью которого были открыты или исследованы многие физические явления: эффект Зеебека, Нернста, Шубникова де-Гааза, а также эффект де Хааза-ван Альфена. Определение таких электронных свойств висмута как поверхность Ферми, для которого использовались измерения эффекта Хааза-ван-Альфена, стало основой для создания методики изучения электронных свойств многих других материалов.

Предпосылки для поиска сверхпроводимости в висмуте были обозначены еще полвека назад, и к настоящему времени эффект был обнаружен в тонких пленках, наночастицах, наностержнях, в аморфной форме и под давлением. Сверхпроводимость в объемном висмуте считалась маловероятной из-за очень маленьких значений плотности носителей заряда. Авторы новой работы не только привели первые экспериментальные доказательства, но также показали, что сверхпроводимость в монокристаллах висмута не может быть описана с точки зрения стандартной теории сверхпроводимости БКШ (Бардина-Купера-Шриффера теория), поскольку его свойства не удовлетворяют основным приближениям теории.