Imaginez une feuille de matériau d’une seule couche d’atomes d’épaisseur – moins d’un millionième de millimètre. Bien que cela puisse sembler fantastique, un tel matériau existe : il s’appelle le graphène et il est composé d’atomes de carbone dans un arrangement en nid d’abeille. Synthétisée pour la première fois en 2004, puis bientôt saluée comme une substance aux caractéristiques merveilleuses, les scientifiques travaillent toujours à sa compréhension.
Le postdoc Areg Ghazaryan et le professeur Maksym Serbyn de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA) ainsi que leurs collègues, le Dr Tobias Holder et le professeur Erez Berg de l’Institut Weizmann des sciences en Israël, étudient le graphène depuis des années et ont maintenant publié leurs dernières découvertes. sur ses propriétés supraconductrices dans un article de recherche dans la revue Examen physique B.
« Le graphène multicouche possède de nombreuses qualités prometteuses allant de la structure de bande largement accordable et des propriétés optiques spéciales aux nouvelles formes de supraconductivité, c’est-à-dire être capable de conduire le courant électrique sans résistance », explique Ghazaryan.
« Dans notre modèle théorique, nous poursuivons nos travaux sur le graphène multicouche et examinons divers agencements possibles de différentes feuilles de graphène les unes sur les autres. Là, nous avons trouvé de nouvelles possibilités pour créer ce que l’on appelle la supraconductivité topologique. » Dans leur étude, les chercheurs ont simulé sur un ordinateur ce qui se passe lorsque vous empilez quelques couches de feuilles de graphène les unes sur les autres de certaines manières.
Un concours de beauté électronique
« C’est comme un grand concours de beauté parmi les différentes configurations de feuilles de graphène empilées pour trouver la meilleure », ajoute Serbyn. « Dans ce document, nous examinons le comportement des électrons qui se déplacent dans le graphène multicouche. »
En fonction de la façon dont les différentes couches de graphène sont décalées les unes par rapport aux autres et du nombre de couches, les noyaux nucléaires chargés positivement des atomes de carbone dans le réseau en nid d’abeille créent différents environnements pour les électrons qui les entourent. Les électrons chargés négativement sont attirés par les noyaux et repoussés les uns par les autres.
« Nous avons commencé par étudier des modèles réalistes en considérant un seul électron interagissant avec les noyaux du graphène. Une fois que nous avons trouvé une approche prometteuse, nous avons ajouté les interactions plus compliquées entre de nombreux électrons », explique Ghazaryan. Avec cette approche, les chercheurs ont confirmé l’existence de la forme exotique de supraconductivité topologique.
À la recherche des commentaires de la nature
Ce type de recherche théorique jette les bases d’expériences futures qui créeront les systèmes de graphène simulés dans un laboratoire pour voir s’ils se comportent vraiment comme prévu. « Notre travail aide les expérimentateurs à concevoir de nouvelles configurations sans avoir à essayer toutes les configurations de couches de graphène », explique Ghazaryan. « Désormais, la recherche théorique se poursuivra tandis que les expériences nous donneront un retour d’expérience de la nature. »
Alors que le graphène a lentement trouvé des applications dans la recherche et les technologies, par exemple en tant que nanotubes de carbone, son potentiel en tant que supraconducteur topologique pour l’électricité commence à peine à être compris. Serbyn ajoute : « Nous espérons un jour être en mesure de décrire pleinement ce type de matériau au niveau de la mécanique quantique, à la fois pour la valeur inhérente de la recherche scientifique sur les caractéristiques fondamentales de la matière et les nombreuses applications potentielles du graphène. »
Plus d’information:
Areg Ghazaryan et al, Les graphènes multicouches comme plate-forme pour la physique axée sur l’interaction et la supraconductivité topologique, Examen physique B (2023). DOI : 10.1103/PhysRevB.107.104502