Le bismuth défie la théorie de la supraconductivité. Ici, cristal obtenu par cristallogenèse artificielle de bismuth métallique à côté d'un cube d'1 cm3 de bismuth pur à 99,99 %, pour comparaison de taille. L'irisation est due à une couche d'oxyde très mince. © Alchemist-hp, Wikipédia, CC by-sa 3.0

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Le bismuth défie la théorie de la supraconductivité

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Le bismuth est un métal bien connu des physiciens. Ce mauvais conducteur électrique n'était pas censé pouvoir devenir un supraconducteur. Des chercheurs viennent pourtant de mettre en évidence ce changement de phase à une température 1.000 fois plus élevée que ne le prédisait la théorie standard de la supraconductivité et à la pression normale.

Supraconductivité : les secrets de la lévitation quantique  Difficile de ne pas éprouver une fascination envers la supraconductivité. Cette propriété quantique qui, entre autres prouesses, fait léviter les objets, est aujourd’hui au centre d’un grand nombre de recherches de pointe. Voici en vidéo un aperçu des plus belles lévitations quantiques. 

Si la découverte de matériaux supraconducteurs à températures ambiantes avait lieu, notre technologie en serait bouleversée. Nous pourrions alors, par exemple, conduire l'électricité sans perte sur de longues distances.

Nous disposerions surtout de la capacité à produire des champs magnétiques puissants, ou d'en détecter des très faibles, avec des machines compactes et faciles à utiliser. Ce n'est pas le cas actuellement lorsque l'on veut faire des IRM ou accélérer des particules avec le LHC, car il faut travailler avec des aimants supraconducteurs refroidis en utilisant de l'hélium ou de l'azote liquide. (Voir aussi notre article Les aimants des accélérateurs du futur seront-il en bismuth ?)

Cette vidéo explique simplement, en images animées et avec l'aide de la « Petite Voix », ce qu'est le phénomène de supraconductivité et les propriétés des matériaux supraconducteurs (absence de résistance électrique, phénomène de lévitation...). Une vidéo coréalisée avec L’Esprit Sorcier. © CEA Recherche

Un superfluide d'électrons qui s'écoule sans résistance

La question de l'existence de matériaux supraconducteurs à températures ambiantes a suscité beaucoup d'espoirs au milieu des années 80, lors de la découverte des cuprates. Malheureusement, ces céramiques sont en fait des supraconducteurs exotiques échappant aux filets de la description standard de la supraconductivité, celle découlant de la théorie BCS. Acronyme des noms de trois physiciens (John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer), cette dernière fut proposée en 1957 et vaudra à ces hommes le prix Nobel de physique en 1972.

Dans cette théorie, la mécanique quantique se révèle un ingrédient essentiel, aussi bien parce qu'elle fait intervenir des phonons (des cousins acoustiques des photons avec les ondes sonores), que parce qu'elle repose sur la fameuse statistique de Bose-Einstein découverte par Satyandra Nath Bose. Leon Cooper avait en effet compris que, dans le cas des supraconducteurs conventionnels, l'interaction entre, d'une part, le gaz des électrons libres dans un métal et, d'autre part, les phonons acoustiques de son réseau cristallin, permettait à deux électrons de s'apparier.

Les électrons sont des fermions, c'est-à-dire des particules de moment cinétique (spins) demi-entiers (plus précisément ½), et ils ne peuvent pas constituer un gaz de bosons. Cependant, tout change s'ils s'associent en paires... Des bosons se formant (connus sous le nom de paires de Cooper), il est possible aux électrons de s'écouler à la façon d'un superfluide dans le réseau cristallin de certains métaux ou alliages, comme le niobium-titane.

De gauche à droite : John Robert Schrieffer, John Bardeen et Leon Cooper, les auteurs de la théorie BCS. © University of Illinois

Le bismuth, un mauvais conducteur avec une faible densité de charges libres

Il ne fait pas de doute que des paires de Cooper se forment également dans les supraconducteurs exotiques, mais personne ne sait vraiment ni comment ni pourquoi. Ainsi, toute découverte portant sur ce type de supraconducteurs est bonne à prendre, car elle pourrait livrer le secret de fabrication des supraconducteurs à températures ambiantes. On ne peut donc qu'être intrigué par la découverte exposée par un groupe de physiciens indiens du solide dans un article disponible sur arXiv et qui porte sur un métal bien connu au moins depuis le Moyen Âge : le bismuth.

Rappelons que le bismuth, de symbole chimique Bi de numéro atomique 83, est le second métal le plus mauvais conducteur de la chaleur après le mercure. Sans surprise, puisque le phénomène de conduction thermique et celui de conduction électrique ordinaire sont reliés, il est aussi un très mauvais conducteur électrique pour un métal. La physique du solide indiquait également qu'il ne devrait pas devenir supraconducteur ou, pour le moins, selon la théorie BCS, pas sans descendre à des températures incroyablement basses. Or, voilà que l'on découvre qu'il le devient bel et bien à 0,00053 kelvins alors que l'on s'attendait à une température de changement de phase 1.000 fois plus basse.

Les physiciens sont vraiment perplexes. En général, les supraconducteurs standard disposent d'un électron libre pour participer à la conduction par atome. Or, dans le cas du bismuth, il n'en existerait qu'un pour 100.000. De nouveau, il faut revoir la copie en ce qui concerne la théorie de la supraconductivité.