Des scientifiques de l'Université Rice ont déterminé que le bore bidimensionnel est un supraconducteur naturel à basse température. En réalité, c'est peut-être le seul matériau 2-D avec un tel potentiel.

Le physicien théoricien de Rice Boris Yakobson et ses collègues ont publié leurs calculs qui montrent que le bore atomiquement plat est métallique et transmettra des électrons sans résistance. Le travail paraît ce mois-ci dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

L'attelage, comme avec la plupart des matériaux supraconducteurs, c'est qu'il ne perd sa résistivité qu'à très froid, dans ce cas entre 10 et 20 kelvins (environ, moins-430 degrés Fahrenheit). Mais pour faire de très petits circuits supraconducteurs, c'est peut-être le seul jeu en ville.

Le phénomène fondamental de la supraconductivité est connu depuis plus de 100 ans, dit Evgeni Penev, chercheur au sein du groupe Yakobson, mais n'avait pas été testé pour sa présence dans le bore atomiquement plat.

"C'est bien connu que le matériau est assez léger car la masse atomique est petite, " dit Penev. " Si c'est métallique aussi, ce sont deux conditions préalables majeures à la supraconductivité. Cela signifie qu'à basse température, les électrons peuvent s'apparier dans une sorte de danse dans le cristal."

"Une dimensionnalité inférieure est également utile, " dit Yakobson. " C'est peut-être le seul, ou l'un des très rares, métaux bidimensionnels. Il y a donc trois facteurs qui nous ont initialement motivés à poursuivre la recherche. Ensuite, nous sommes devenus de plus en plus excités au fur et à mesure que nous nous y mettions. »

Les électrons avec des impulsions et des spins opposés deviennent effectivement des paires de Cooper; ils s'attirent à basse température à l'aide de vibrations de réseau, les soi-disant "phonons, " et conférer au matériau ses propriétés supraconductrices, dit Penev. "La supraconductivité devient une manifestation de la fonction d'onde macroscopique qui décrit l'ensemble de l'échantillon. C'est un phénomène étonnant, " il a dit.

Ce n'est pas tout à fait par hasard que le premier article théorique établissant la conductivité dans un matériau 2D est apparu à peu près au même moment où les premiers échantillons du matériau ont été réalisés par des laboratoires aux États-Unis et en Chine. En réalité, un document antérieur du groupe Yakobson avait proposé une feuille de route pour ce faire.

Que du bore 2D soit maintenant produit est une bonne chose, selon Yakobson et les auteurs principaux Penev et Alex Kutana, chercheur postdoctoral à Rice. « Nous travaillons depuis des années à caractériser le bore, des grappes de cages aux nanotubes en passant par les feuilles de rabotage, mais le fait que ces articles soient si proches les uns des autres signifie que ces laboratoires peuvent désormais tester nos théories, " a déclaré Yakobson.

"En principe, ce travail aurait pu être fait il y a trois ans aussi, " dit-il. " Alors pourquoi pas nous ? Parce que le matériel restait hypothétique; d'accord, théoriquement possible, mais nous n'avions pas de bonne raison de le pousser trop loin.

"Mais l'automne dernier, il est devenu clair à partir de réunions et d'interactions professionnelles que cela pouvait être fait. Maintenant, ces articles sont publiés. Quand vous pensez que cela va devenir réel, le prochain niveau d'exploration devient plus justifiable, " a déclaré Yakobson.

Les atomes de bore peuvent créer plus d'un motif lorsqu'ils se réunissent en un matériau 2D, une autre caractéristique prédite par Yakobson et son équipe qui s'est maintenant concrétisée. Ces modèles, connu sous le nom de polymorphes, peut permettre aux chercheurs d'ajuster la conductivité du matériau "juste en choisissant un arrangement sélectif des trous hexagonaux, ", a déclaré Penev.

Il a également noté que les qualités du bore avaient été évoquées lorsque des chercheurs ont découvert il y a plus de dix ans que le diborite de magnésium est un supraconducteur électron-phonon à haute température. "Les gens ont réalisé il y a longtemps que la supraconductivité est due à la couche de bore, " Penev a déclaré. "Le magnésium agit pour doper le matériau en renversant des électrons dans la couche de bore. Dans ce cas, nous n'en avons pas besoin car le bore 2-D est déjà métallique."

Penev a suggéré que l'isolement du bore 2-D entre des couches de nitrure de bore hexagonal inerte (alias « graphène blanc ») pourrait aider à stabiliser sa nature supraconductrice.

Sans la disponibilité d'un bloc de temps sur plusieurs grands supercalculateurs du gouvernement, l'étude aurait pris beaucoup plus de temps, dit Yakobson. "Alex a fait le gros du travail de calcul, ", a-t-il déclaré. " Transformer cette discussion d'une discussion à l'heure du déjeuner en un véritable résultat de recherche quantitative a demandé un très gros effort. "

L'article est le premier du groupe de Yakobson sur le thème de la supraconductivité, bien que Penev soit un auteur publié sur le sujet. "J'ai commencé à travailler sur la supraconductivité en 1993, mais c'était toujours une sorte de passe-temps, et je n'avais rien fait sur le sujet depuis 10 ans, " Penev a déclaré. "Donc ce papier boucle la boucle."