Індійські фізики відкрили, що такий матеріал як монокристал вісмуту стає надпровідником при наднизьких температурах 0,53 мілікельвін і при нормальному тиску. В інших формах вісмута - в тонких плівках, наночастинках або наностержнях, в аморфній формі і під тиском - надпровідність вже була виявлена. Прояв ефекту в об'ємному матеріалі вважався малоймовірним через дуже низькі значення щільності носіїв заряду. Таким чином, дане відкриття поставило крапку в більш ніж п'ятдесятирічному науковому спорі про те, чи є об'ємний вісмут надпровідником чи ні. Роботу опубліковано в журналі.
Надпровідність - це явище падіння опору матеріалу до величин, невідличних від абсолютного нуля, при температурі нижче деякої критичної. Вже зараз ці матеріали активно застосовуються в різних областях: від медицини до фізики високих енергій. З ними також пов'язані і надії на майбутні проривні технології, такі як передача електрики без втрат енергії на нагрів проводів, створення поїздів на магнітній подушці (маглевів), левітуючих ховербордів та ін.
Надпровідність, як виявилося, проявляється біля величезної кількості сполук - у простих елементах, металооксидах, органічних провідниках, фуллеридах металів, у дибориді магнію, залізовмісних арсенідах і халькогенідах, навіть у гідросульфідах під тиском. Але досі, через більш ніж 100 років з моменту відкриття цього явища, у надпровідності залишається одна «проблема» - критична температура, яка визначає, наскільки сильно потрібно охолоджувати матеріал, щоб у ньому проявилася ця властивість. Вона залишається занадто низькою для можливості їх повсюдного застосування - матеріали доводиться охолоджувати рідким азотом або навіть дорогим рідким гелієм.
Однак фізики, які займаються дослідженням нових надпровідників, зазвичай не ставлять за мету підвищити їх критичну температуру. Вчені вважають, що саме по собі відкриття нових надпровідників і вивчення механізмів виникнення цього явища з часом допоможе або знайти спосіб сконструювати, наприклад, кімнатно-температурний надпровідник, або довести, що це зробити неможливо.
Для доведення надпровідності в будь-якому з'єднанні необхідно показати наявність в ньому одночасно двох ефектів, що проявляються нижче критичної температури: 1) різке падіння опору матеріалу до значень, експериментально невідличних від нуля; 2) і ефект Мейснера - виштовхування магнітного поля з обсягу надпровідника, тобто прояв сильного діамагнетизму нижче критичної температури. При цьому величина ефекту в надпровідниках набагато вища, ніж у звичайних діамагнетиках: надпровідники можуть практично повністю виштовхувати магнітне поле зі свого обсягу
Автори нової роботи поки що довели наявність тільки одного з двох ефектів для монокристалів вісмуту - ефекту Мейснера. Експериментально його можна спостерігати як стрибок на температурній кривій магнітній сприйнятливості речовини: нижче критичної температури вона стає негативною, що відповідає діамагнітним властивостям.
Для прямого вимірювання ефекту Мейснера автори використовували СКВИД-магнітометр. Головним елементом цього приладу є надпровідне кільце зі спеціальними дефектами (їх називають джозефсонівськими контактами), завдяки яким воно стає одним з найбільш чутливих датчиків намагніченості. Згідно з вимірами критична температура для вісмута виявилася дуже мала - 0,53 мілікельвін (0 градусів за шкалою Кельвіна відповідає абсолютному нулю температур, за шкалою Цельсія він становить близько мінус 273,15 ° С).
Для проведення вимірювань авторам довелося не тільки задіяти спеціальну апаратуру для створення і підтримки наднизьких температур, але і виключити вплив на зразок магнітних полів, що руйнують надпровідність, джерелом яких могло бути як зовнішнє середовище, так і домішки всередині зразка. Для проведення експерименту вчені виростили кілька надчистих кристалів вісмуту, а для захисту від зовнішнього поля прилад екранували за допомогою декількох шарів надпровідного свинцю, а також нікель-вмісту сплаву Cryoperm 10.
Виходячи з отриманих даних, автори також оцінили величину критичного поля, яка показує, в магнітне поле якої індукції необхідно помістити зразок, щоб зруйнувати його надпровідність. Вона виявилася рівною 5,2 мікротесла при температурі абсолютного нуля по кельвіну, відповідно, при температурах вимірювання критичне поле було ще менше. Для порівняння, це приблизно в десять разів менше, ніж середнє магнітне поле на поверхні Землі, і в тисячу разів менше, ніж поле стандартного сувенірного магніту для холодильників.
Вісмут є унікальним матеріалом, за допомогою якого було відкрито або досліджено багато фізичних явищ: ефект Зеєбека, Нернста, Шубнікова де-Гааза, а також ефект де Хааза-ван Альфена. Визначення таких електронних властивостей вісмута як поверхня Фермі, для якого використовувалися вимірювання ефекту Хааза-ван-Альфена, стало основою для створення методики вивчення електронних властивостей багатьох інших матеріалів.
Передумови для пошуку надпровідності у вісмуті були позначені ще півстоліття тому, і до теперішнього часу ефект був виявлений в тонких плівках, наночастинках, наностержнях, в аморфній формі і під тиском. Надпровідність в об'ємному вісмуті вважалася малоймовірною через дуже маленькі значення щільності носіїв заряду. Автори нової роботи не тільки навели перші експериментальні докази, але також показали, що надпровідність в монокристалах вісмута не може бути описана з точки зору стандартної теорії надпровідності БКШ (Бардіна-Купера-Шріффера теорія), оскільки його властивості не задовольняють основним наближенням теорії.