În ciuda lipsei de electroni liberi, bismutul supraconduce

Un supraconductor ciudat este primul de acest gen – și dacă oamenii de știință sunt norocoși, descoperirea lui poate duce la altele.

La o temperatură rece de 5 zeci de miimi de grad peste zero absolut, bismutul devine un supraconductor – un material care conduce electricitatea fără rezistență – fizicieni de la Institutul de Cercetare Fundamentală Tata din Mumbai, India, raportează online 1 decembrie în Ştiinţă.

Bismutul, un element semimetalic, conduce electricitatea mai puțin eficient decât un metal obișnuit. Este spre deosebire de majoritatea celorlalți supraconductori cunoscuți prin faptul că are foarte puțini electroni mobili. În consecință, teoria predominantă a supraconductivității nu se aplică.

Rezultatul este „destul de important”, spune fizicianul teoretician Marvin Cohen de la Universitatea din California, Berkeley. Sunt necesare idei noi – fie o teorie diferită, fie o modificare față de cea standard – pentru a explica supraconductibilitatea bismutului. „Ne poate conduce la o teorie mai bună a supraconductivității, cu mai multe detalii”, spune Cohen.

O înțelegere teoretică îmbunătățită ar putea conduce oamenii de știință la alți supraconductori, potențial cei care funcționează la temperaturi mai practice, spune Srinivasan Ramakrishnan, coautor al lucrării. „Deschide o nouă cale pentru descoperirea de noi materiale supraconductoare.”

Scopul final al fizicienilor este de a găsi un supraconductor care să funcționeze la temperatura camerei. Un astfel de material ar putea fi folosit pentru a înlocui metalele standard din fire și electronice, oferind economii masive de energie și salturi tehnologice, de la supercalculatoare avansate la trenuri cu levitare magnetică.

Pentru a confirma că bismutul era supraconductor, Ramakrishnan și colaboratorii au răcit cristale ultrapure de bismut, protejând în același timp cristalele de câmpurile magnetice. Sub 0,00053 kelvin (aproximativ -273° Celsius), cercetătorii au observat un semn distinctiv al supraconductivității cunoscut sub numele de efectul Meissner, în care supraconductorul elimină câmpurile magnetice din interiorul său.

În teoria standard a supraconductivității, electronii se asociază într-un mod care elimină rezistența la fluxul lor, datorită interacțiunilor electronilor cu ionii din material. Dar teoria, cunoscută sub numele de teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer sau BCS, funcționează numai pentru materiale cu mulți electroni care plutesc liber. Un supraconductor tipic are aproximativ un electron mobil pentru fiecare atom din material, în timp ce în bismut fiecare electron este împărțit de 100.000 de atomi.

Bismutul a fost făcut anterior să supraconduiască atunci când este supus la presiune ridicată sau când este format în nanoparticule sau când atomii săi sunt dezordonați, mai degrabă decât aranjați ordonat într-un cristal. Dar în aceste condiții, bismutul se comportă diferit, așa că teoria BCS încă se aplică. Noul rezultat este primul semn al bismutului supraconductor în forma sa normală.

O altă clasă de supraconductori, cunoscută sub numele de supraconductori de temperatură înaltă, rămâne, de asemenea, enigmatică (SN: 8/8/15, str. 12). Oamenii de știință nu au ajuns încă la un consens asupra modului în care funcționează. Deși acești supraconductori trebuie să fie răciți, ei funcționează la temperaturi relativ ridicate, peste punctul de fierbere al azotului lichid (77 kelvin, sau -196 ° Celsius).

Comportamentul neobișnuit al lui Bismut oferă un alt mâner cu care să investighezi fenomenul încă misterios al supraconductivității. Pe lângă densitatea sa scăzută de electroni și supraconductibilitatea neașteptată, bismutul are mai multe proprietăți anormale, inclusiv un comportament optic și magnetic neobișnuit. „Lipsește o imagine globală bună” pentru a explica elementul anormal, spune fizicianul teoretician Ganapathy Baskaran de la Institutul de Științe Matematice din Chennai, India. „Cred că este doar un vârf de aisberg.”