Bismutas ir šiaip yra vienas iš keisčiausiai atrodančių periodinės elementų sistemos atstovų, bet jo vidinės savybės irgi dar pateikia siurprizų. Mokslininkai išsiaiškino, kad atšaldytas beveik iki absoliutaus nulio (-273.15 °C), bismutas tampa superlaidus, t.y. elektra juo teka be varžos.
Remiantis dabartine superlaidumo teorija, tai kažkoks nesusipratimas, nes, štai, jau 40 metų mokslininkai manė, kad superlaidžiose medžiagose turi būti pilna laisvųjų elektronų. Bet bismute vienas mobilus elektronas tenka 100 000 atomų.
„Bendrai, superlaidžiose medžiagose vienas laisvas judrus elektronas tenka maždaug vienam atomui,“ paaiškino Srinivasanas Ramakrishnanas iš Tata fundamentaliųjų tyrimų instituto Indijoje.
Paskutiniu tyrimu buvo nustatyta, kad 0,001 °K temperatūroje bismutas netampa superlaidus. Tai buvo atlikta prieš 20 metų ir žmonės pasidavė
„Tačiau bismute vieną judrų elektroną dalinasi 100 000 atomų – kadangi krūvininkų tankis toks mažas, niekas nemanė, kad bismutas gali būti superlaidus“, – teigia mokslininkas.
Medžiagos „krūvininkų tankis“ parodo, kiek elektronų yra tūrio vienete, ir atradus, kad bismutas pasižymi superlaidumu, jis tapo mažiausiai laisvų krūvininkų turinčiu superlaidininku, sumušdamas stroncio titanato 50 metų senumo rekordą.
Nors kambario temperatūroje bismuto varža itin didelė, o šiluminis laidumas mažesnis, nei bet kurio kito metalo, išskyrus gyvsidabrį, mokslininkai bandė atrasti jo superlaidumą ne vieną dešimtmetį.
Deja, mokslininkams medžiagų superlaidumą pavyksta atskleisti tik neįtikėtiname šaltyje, temperatūroje, artimoje absoliučiam nuliui (-273,15 °C). Superlaidžios medžiagos elektros srovę praleidžia 100 proc. efektyvumu, o jeigu pavyktų šį reiškinį įgyvendinti kambario temperatūroje, elektros naudojimas pakistų amžiams.
Tad mokslininkai šaldė gryną bismutą iki labai žemos temperatūros, siekdami pažiūrėti, ar jis pasidarys superlaidus, bet pasiekus 0,01 kelvino šaltį, niekas nevyko, tad jie metė šį reikalą.
„Paskutiniu tyrimu buvo nustatyta, kad 0,001 K temperatūroje bismutas netampa superlaidus. Tai buvo atlikta prieš 20 metų ir žmonės pasidavė,“ – leidiniui „The Wire“ sakė S.Ramakrishnanas.
Bet jis su kolegomis nutarė nenuleisti rankų ir aptiko trokštamąjį bismuto superlaidumą pasiekus 0,00053 K temperatūrą.
Tyrėjams anksčiau yra pavykę aptikti superlaidumą grynose ar amorfinėse (ne kristalinėse) bismuto formose, bet tik naudojant itin aukštą slėgį. Bet pastarasis eksperimentas pateikė pirmąjį įprastinės bismuto formos superlaidumo ženklą įprastame slėgyje.
Nors 0,00053 K nėra itin praktiška temperatūra superlaidumui – mokslininkai visame pasaulyje įnirtingai pluša, norėdami pasiekti nors kokios medžiagos superlaidumą kambario temperatūroje – stulbina jau pats faktas, kad bismutas pasižymi superlaidumu apskritai bet kokioje temperatūroje.
Remiantis Bardeen-Cooper-Schrieffer teorija (BCS superlaidumo teorija), už kurią buvo paskirta 1972 metų Nobelio premija fizikos srityje, šis fenomenas pasireiškia, kai judrūs elektronai susikimba į poras ir netrukdomai teka per medžiagą.
Kaip aiškinama „The Wire“ straipsnyje, aprašančiame šį atradimą, „kad praleistų elektrą, metalo atomai privalo turėti laisvų elektronų, kurie judėtų per metalą, o ne būtų įkalinti atomuose.
Smarkiai atšaldytuose superlaidžiuose metaluose šie elektronai įveikia vienodų krūvių stūmą ir sudaro poras. Elektronų porų jūra metale teka kaip skystis ir iš savo svajingos būsenos nesileidžia pažadinami atomų vibracijų, nebent metalas sušyla virš tam tikros temperatūros.“
Bet kaip superlaidumas gali būti palaikomas bismute, jei jame tėra 1 laisvas elektronas 100 000 atomų?
Pritaikius BCS superlaidumo teoriją bismutui, ji rodo, kad superlaidumas galėtų pasireikšti tik dar 1 000 kartų žemesnėje temperatūroje, nei 0,00053 K – beveik neįmanomai žemoje temperatūroje.
„Tas krūvio pernešėjų tankis toks mažas, kad pasiekto [bismuto] superlaidumo įprasta BCS teorjia paaiškinti negali,“ sakė S.Ramakrishnanas. „Mums reikia naujo superlaidumo mechanizmo bismutui.“
Nors komanda nesitiki, kad reikės atmesti dabartinę superlaidumo teoriją, norint paaiškinti bismuto elgesį, kai kuriuos jos aspektus reikės „užpildyti“ teoriniu darbu, paaiškinančiu itin mažo laisvų krūvininkų tankio superlaidininkų veikimą,sako jie
Tyrimas publikuotas „Science“ žurnale, jį galima nemokamai perskaityti „arXiv.org“ svetainėje.
