Le bismuth est l’un des éléments les plus étranges du supraconducteur – un matériau qui peut conduire l’électricité sans résistance. Tableau périodique, mais ses propriétés internes viennent de devenir encore plus étranges. Les scientifiques ont découvert qu’à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C), le bismuth devient un supraconducteur
Selon la théorie actuelle de la supraconductivité, cela n’a pas beaucoup de sens, car depuis 40 ans, les scientifiques supposent que les matériaux supraconducteurs doivent être abondants en électrons mobiles circulant librement. Mais dans le bismuth, il n’y a qu’un électron mobile pour 100 000 atomes.
“En général, les composés qui présentent une supraconductivité ont à peu près un électron mobile par atome”, a expliqué à Chemistry World Srinivasan Ramakrishnan du Tata Institute of Fundamental Research en Inde .
“Cependant, dans le bismuth, un électron mobile est partagé par 100 000 atomes – puisque la densité de porteurs [est] si faible, les gens ne pensaient pas que le bismuth serait supraconducteur.”
La “densité de porteurs” d’un matériau décrit le nombre d’électrons par volume, et la découverte que le bismuth possède des propriétés supraconductrices en fait le supraconducteur à densité de porteurs la plus faible jamais trouvé – battant ainsi un record de 50 ans détenu par le titanate de strontium.
Malgré le fait qu’à température ambiante, le bismuth présente une résistance électrique incroyablement élevée et des niveaux de conductivité thermique inférieurs à ceux de tous les métaux, à l’exception du mercure, les scientifiques tentent depuis des décennies de découvrir la supraconductivité dans ce matériau.
La supraconductivité donne aux matériaux la capacité de transporter un courant électrique avec une efficacité de 100 %. Si nous pouvions y parvenir à température ambiante, cela changerait à jamais la façon dont nous utilisons l’électricité.
Malheureusement, les scientifiques ont eu du mal à faire passer les matériaux à leur forme supraconductrice autrement qu’à des températures incroyablement froides, proches du zéro absolu (-273,15°C ou -459,67°F).
Les chercheurs ont donc refroidi du bismuth pur à des températures extrêmement basses pour voir s’il effectuait la transition, mais lorsqu’ils sont arrivés à la température incroyablement basse de 0,01 kelvin (1°C = 274,15 K) et qu’ils n’ont toujours rien trouvé, ils ont abandonné la chasse.
“Les derniers travaux réalisés sur le bismuth ont montré qu’il n’était pas supraconducteur jusqu’à 0,01 kelvin. Cela a été fait il y a 20 ans et les gens ont abandonné”, a déclaré Ramakrishnan à Vasudevan Mukunth de The Wire.
Ramakrishnan et son équipe ont décidé de poursuivre leurs efforts et ont fini par trouver la propriété supraconductrice tant convoitée à 0,00053 kelvin. Cela représente 5 dix-millièmes de degré au-dessus du zéro absolu.
Dans le passé, les chercheurs ont trouvé des propriétés supraconductrices dans des formes impures ou amorphes (non cristallines) de bismuth, mais uniquement à des pressions très élevées. C’est la première fois que l’on trouve du bismuth supraconducteur sous sa forme normale, et à la pression ambiante.
Alors que 0,00053 kelvin n’est pas exactement une température pratique pour atteindre la supraconductivité – les scientifiques du monde entier travaillent fébrilement pour atteindre la supraconductivité dans n’importe quel matériau à température ambiante – le fait que le bismuth soit supraconducteur à n’importe quelle température est étrange.
Selon la théorie Bardeen-Cooper-Schrieffer (ou théorie BCS) de la supraconductivité, pour laquelle le prix Nobel de physique de 1972 a été décerné, le phénomène est obtenu lorsque des électrons mobiles se rassemblent par paires et traversent le matériau sans être perturbés.
“Pour pouvoir conduire l’électricité, les atomes d’un métal doivent avoir quelques électrons mobiles qui peuvent se déplacer dans tout le métal au lieu d’être piégés autour des atomes.
Dans les métaux supraconducteurs qui ont été refroidis à basse température, ces électrons surmontent la répulsion due à leurs charges “similaires”, se rassemblent et forment des paires. La mer de paires d’électrons autour du métal s’écoule alors comme un fluide et refuse d’être tirée de sa rêverie par des atomes en vibration, à moins que le métal ne soit réchauffé au-delà d’une température seuil.”
Mais comment la supraconductivité peut-elle être maintenue dans le bismuth, avec un seul électron mobile pour 100 000 atomes ?
Si vous appliquiez la théorie BCS de la supraconductivité au bismuth, elle prédit que le phénomène ne pourrait se produire qu’à des températures 1 000 fois inférieures à 0,00053 kelvin – un état de froid presque insondable.
“Cette densité de porteurs est si faible que, si nous établissons la supraconductivité [dans le bismuth], la théorie BCS classique ne peut l’expliquer”, a déclaré Ramakrishnan. “Nous avons maintenant besoin d’un nouveau mécanisme pour la supraconductivité dans le bismuth”
Bien que l’équipe ne s’attende pas à ce que la théorie actuelle de la supraconductivité doive être révisée pour expliquer le comportement du bismuth, elle affirme que certains de ses aspects devront être complétés par d’autres travaux théoriques pour expliquer le fonctionnement des supraconducteurs à densité de porteurs extrêmement faible.
Les travaux de recherche ont été publiés dans Science, et vous pouvez les lire gratuitement sur arXiv.org.