C’est officiel, le graphène a été transformé en un supraconducteur à l’état naturel, ce qui signifie que le courant électrique peut circuler à travers le matériau avec une résistance nulle.
L’année dernière, des physiciens y étaient parvenus en dopant du graphène avec des atomes de calcium, mais c’est la première fois que les chercheurs ont atteint le stade de supraconductivité dans le matériau sans devoir directement le modifier. Les résultats obtenus jusqu’à présent montrent d’ailleurs que le matériau atteint un type extrêmement rare de supraconductivité, ce qui dépasse donc largement les attentes des scientifiques.
Cette nouvelle recherche représente un enjeu très important, même pour un matériau aussi impressionnant que le graphène, car la supraconductivité est aujourd’hui la clé nous permettant de nous orienter vers une électronique plus efficace, de meilleurs réseaux électriques et des nouvelles technologies médicales.
« Il a longtemps été postulé que, dans les conditions adéquates, le graphène devrait subir une transition supraconductrice, mais en pratique, ce n’est pas possible », a déclaré l’un des chercheurs, Jason Robinson de l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni.
Mais aujourd’hui, selon Robinson, son équipe a réussi à éveiller cette capacité de transition : il en résulte que le graphène n’est pas uniquement un supraconducteur standard. En effet, le matériau pourrait conduire l’électricité sans aucune résistance par le biais d’un type non confirmé et non maîtrisé de supraconductivité, appelé état d’onde p (p-wave). D’autres recherches sont nécessaires pour confirmer ce résultat, mais il s’agit d’une hypothèse plutôt intrigante.
Déjà considéré comme sur-performant, le graphène est un matériau bidimensionnel cristallin très flexible, plus dur que le diamant et plus résistant que l’acier. Depuis sa découverte, datant de 2004, les chercheurs ont suspecté que le matériau possédait probablement une capacité supraconductrice, ce qui veut dire qu’il est possible d’y faire circuler des électrons sans aucune résistance électrique.
Même les matériaux qui étant de bons conducteurs paraissent inefficaces par rapport aux indétronables supraconducteurs. Pour citer un exemple, il faut savoir que les entreprises énergétiques perdent environ 7 pour cent de leur énergie sous forme de chaleur, en raison de la résistance électrique au sein du réseau.
Des matériaux supraconducteurs sont déjà utilisés pour créer les champs magnétiques forts nécessaires au fonctionnement des scanners IRM ainsi que des trains maglev, mais à l’heure actuelle, ces matériaux ne deviennent supraconducteurs qu’à des températures se situant autour des -269 degrés Celsius, ce qui est très peu pratique et très désavantageux.
Si nous pouvions trouver un moyen d’atteindre la supraconductivité de façon durable et à des températures moins basses, cela offrirait la possibilité d’obtenir par exemple des super-calculateurs bénéficiant de circuits sans résistance électrique, ainsi que des technologies médicales plus efficaces. La graphène est donc considéré comme étant le candidat idéal.
L’année dernière, les chercheurs ont réussi à produire du graphène supraconducteur en insérant des atomes de calcium au sein de son réseau. Tandis que d’autres équipes ont obtenu un résultat similaire en combinant le graphène avec un matériau supraconducteur.
Mais dans cette nouvelle étude, les chercheurs de l’Université de Cambridge ont été en mesure d’activer le potentiel encore inactif du graphène, sans que l’intervention d’un autre matériau ne soit nécessaire.
« Placer du graphène sur un métal peut radicalement altérer les propriétés de sorte que techniquement, le matériau ne se comporte plus comme on s’y attendrait », a déclaré l’un des chercheurs, Angelo di Bernardo. « Ce que vous voyez n’est pas la supraconductivité intrinsèque du graphène, mais simplement celle du supraconducteur sous-jacent, qui est transmise à ce dernier ».
L’équipe a donc fait mieux, en atteignant la supraconductivité en accouplant le graphène avec un matériau appelé oxyde de cuivre de praséodyme et de cérium (PCCO).
Cela peut sembler similaire à ce qui a été réalisé dans les expériences précédentes (étant donné qu’il s’agit encore une fois de coupler du graphène avec un autre matériau). Mais ici, il y a une différence non négligeable : le PCCO est un type de matériau supraconducteur appelé cuprate, qui possède des propriétés électriques bien connues et maitrisées par les scientifiques. Ainsi, l’équipe a pu distinguer clairement la supraconductivité du PCCO de la supraconductivité du graphène. Ce qu’ils ont constaté durant les expériences a dépassé leurs attentes.
Pour rappel, la supraconductivité se produit lorsque les électrons s’accouplent et se déplacent plus efficacement à travers un matériau. L’alignement de spin, ou symétrie, de ces paires d’électrons varie en fonction du type de supraconductivité impliqués. Par exemple, pour le PCCO, les électrons s’accouplent avec un état de spin dit « antiparallèle », appelé état d-wave.
Mais ce que l’équipe a pu observer dans le graphène était cette fois différent : des preuves évidentes qu’un type rare et encore non vérifié de supraconductivité a été atteint. On parle alors d’état p-wave au lieu de d-wave. « Ce que nous avons pu observer dans le graphène était, en d’autres termes, un type très différent de supraconductivité que celui habituellement atteint avec le PCCO », a déclaré Robinson. « Il s’agissait d’une observation vraiment importante car cela signifiait que nous savions alors que la supraconductivité ne provenait pas de l’extérieur et que le PCCO était donc uniquement responsable de la supraconductivité intrinsèque du graphène ».
On ne sait toujours pas exactement quel type de supraconductivité l’équipe est parvenue à libérer au sein du graphène, mais s’il est confirmé qu’il s’agit vraiment d’une forme de supraconducitivé d’onde p, il serait alors possible de prouver une fois pour toutes que ce type de supraconductivité existe bel et bien, et ainsi permettre aux chercheurs de l’étudier correctement.
La supraconductivité p-wave a été proposée pour la première fois en 1994, lorsque des chercheurs japonais ont découvert des signes de ce phénomène dans un matériau cristallin appelé ruthénate de strontium. Mais le cristal est trop volumineux pour l’étudier convenablement et ainsi obtenir le type de preuve dont les scientifiques ont besoin afin de confirmer l’existence de cet état. Mais si cela se produit vraiment dans le graphène, il serait alors beaucoup plus facile d’étudier le phénomène.
« Si la supraconductivité p-wave est en effet créée dans le graphène, celui-ci pourrait être utilisé comme structure pour la création et l’exploration d’une toute nouvelle gamme de dispositifs supraconducteurs pour les domaines de recherche fondamentale et appliquée », a déclaré Robinson. « De telles expériences conduiraient nécessairement à une nouvelle branche scientifique grâce à une meilleure compréhension de la supraconductivité p-wave, et comment elle se comporte dans différents dispositifs et selon certains paramètres ».
L’équipe suggère également que le graphène pourrait être la clé permettant de débloquer la supraconductivité au-dessus de -269 degrés Celsius, et pourrait être utilisé dans la réalisation de super-calculateurs ainsi que d’autres technologies pour les rendre plus efficaces.
D’autres équipes de recherche prendront sans doute part à la course pour vérifier ce résultat dans leurs propres laboratoires, et également pour commencer à expérimenter ce nouvel état du graphène.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
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