Découverte d’une supraconductivité contrôlable dans le graphène empilé

Au cours des dernières années, les physiciens ont accordé de plus en plus d’importance au graphène pour ses étonnantes propriétés. De la conversion d’énergie à la purification de l’eau, les domaines d’application de ce matériau semblent illimités. Récemment, des chercheurs ont révélé une autre puissante propriété du graphène : lorsque des feuilles de graphène sont empilées, l’ensemble forme un supraconducteur dont les propriétés sont contrôlables. Un résultat qui pourrait avoir de futures applications dans les domaines de l’informatique quantique et la détection ultra-sensible.

Lorsque deux feuilles de graphène sont empilées l’une sur l’autre selon le bon angle, la structure en couches se transforme en un supraconducteur non conventionnel, permettant aux courants électriques de passer sans résistance ni gaspillage d’énergie. Cette transformation « d’angle magique » dans le graphène bicouche a été observée pour la première fois en 2018. Depuis lors, les physiciens ont recherché d’autres matériaux pouvant être transformés de la même manière en supraconducteurs, dans le domaine émergent de la « twistronique ».

Pour la plupart, aucun autre matériau torsadé n’a présenté de supraconductivité autre que le graphène bicouche torsadé d’origine, jusqu’à présent. Dans un article paru dans la revue Nature, Pablo Jarillo-Herrero et son groupe rapportent l’observation de supraconductivité dans une superposition de trois feuilles de graphène, dont la couche médiane est tordue à un nouvel angle par rapport aux couches externes. Cette nouvelle configuration à trois couches présente une supraconductivité plus robuste que son homologue bicouche.

Les chercheurs peuvent également régler la supraconductivité de la structure en appliquant et en faisant varier la force d’un champ électrique externe. En ajustant la structure à trois couches, les chercheurs ont pu produire une supraconductivité ultra-fortement couplée, un type de comportement électrique exotique rarement observé dans aucun autre matériau.

L’hypothèse de la supraconductivité dans les systèmes à trois couches

Peu de temps après que Jarillo-Herrero et ses collègues ont découvert que la supraconductivité pouvait être générée dans le graphène bicouche torsadé, les théoriciens ont proposé que le même phénomène puisse être observé dans trois couches ou plus de graphène. Une feuille de graphène est une fine couche de graphite, composée entièrement d’atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d’abeille.

Les théoriciens ont proposé que si trois feuilles de graphène étaient empilées comme un sandwich, avec la couche intermédiaire tournée de 1.56 degré par rapport aux couches extérieures, la configuration torsadée créerait une sorte de symétrie qui encouragerait les électrons du matériau à s’apparier et voyager sans résistance : la marque de la supraconductivité.

L’émergence d’une supraconductivité contrôlable

Les auteurs ont conçu des structures de graphène à trois couches en découpant soigneusement une seule feuille de graphène gossamer en trois sections et en empilant chaque section l’une sur l’autre à des angles précis, prédits par les théoriciens. Ils ont fabriqué plusieurs structures à trois couches, chacune mesurant quelques micromètres de diamètre (environ 1/100 du diamètre d’un cheveu humain) et trois atomes de hauteur, formant ainsi des nanosandwichs.

L’équipe a ensuite attaché des électrodes à l’une ou l’autre extrémité des structures et a fait passer un courant électrique tout en mesurant la quantité d’énergie perdue ou dissipée dans le matériau. Ils n’ont observé aucune énergie dissipée, ce qui signifie qu’il s’agissait d’un supraconducteur. La cause exacte de la supraconductivité de la structure — que ce soit en raison de sa symétrie, comme les théoriciens l’ont proposé, ou non — reste à déterminer, et c’est quelque chose que les chercheurs prévoient de tester dans de futures expériences.

En explorant leur nouvelle structure à trois couches, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient contrôler sa supraconductivité de deux manières. Avec leur conception bicouche précédente, les chercheurs pouvaient régler la supraconductivité en appliquant une tension externe pour modifier le nombre d’électrons circulant à travers le matériau. En augmentant et diminuant la tension, ils ont mesuré la température critique à laquelle le matériau a cessé de dissiper de l’énergie et est devenu supraconducteur.

Vers des températures critiques de plus en plus élevées

L’équipe a utilisé la même méthode pour régler le graphène à trois couches. Ils ont également découvert une deuxième façon de contrôler la supraconductivité du matériau qui n’a pas été possible dans le graphène bicouche et d’autres structures torsadées. En utilisant une électrode supplémentaire, les chercheurs pouvaient appliquer un champ électrique pour modifier la distribution des électrons entre les trois couches de la structure, sans modifier la densité électronique globale de cette dernière.

En utilisant les deux méthodes pour régler la structure à trois couches, l’équipe a observé la supraconductivité dans une gamme de conditions, y compris à une température critique relativement élevée de -270 °C, même lorsque le matériau avait une faible densité d’électrons. En comparaison, l’aluminium, qui est étudié comme supraconducteur pour l’informatique quantique, a une densité d’électrons beaucoup plus élevée et ne devient supraconducteur qu’à environ -272 °C.

Les chercheurs prévoient de fabriquer des structures en graphène torsadé avec plus de trois couches pour voir si de telles configurations, avec des densités d’électrons plus élevées, peuvent présenter une supraconductivité à des températures plus élevées, même en approchant la température ambiante. « Si nous pouvions fabriquer ces structures telles qu’elles sont actuellement, à l’échelle industrielle, nous pourrions fabriquer des bits supraconducteurs pour le calcul quantique, ou de l’électronique supraconductrice cryogénique, des photodétecteurs, etc. », concluent les chercheurs.

Sources : Nature