Dans une mer d’angles magiques, les ‘twistons’ permettent aux électrons de circuler à travers trois couches de graphène

La découverte de la supraconductivité dans deux couches de graphène très légèrement tordues a fait des vagues il y a quelques années dans la communauté des matériaux quantiques. Avec seulement deux feuilles de carbone fines comme un atome, les chercheurs avaient découvert un dispositif simple pour étudier le flux d’électricité sans résistance, entre autres phénomènes liés au mouvement des électrons à travers un matériau.

Mais, l’angle de torsion entre les deux couches doit être juste – à l’angle dit « magique » de 1,1 degrés – pour que les phénomènes soient observés. C’est parce que les atomes dans les couches veulent résister à la torsion et se « détendre » à un angle nul, explique Joshua Swann, titulaire d’un doctorat. étudiant au Dean Lab de Columbia. À mesure que les angles magiques disparaissent, la supraconductivité disparaît également.

L’ajout d’une troisième couche de graphène améliore les chances de trouver de la supraconductivité, mais la raison n’était pas claire. Écrire dans Sciencedes chercheurs de Columbia révèlent de nouveaux détails sur la structure physique du graphène tricouche qui aident à expliquer pourquoi trois couches valent mieux que deux pour étudier la supraconductivité.

À l’aide d’un microscope capable d’imager jusqu’au niveau des atomes individuels, l’équipe a constaté que des groupes d’atomes dans certaines zones se transformaient en ce que Simon Turkel, titulaire d’un doctorat. étudiant au Pasupathy Lab, surnommé « twistons ». Ces twistons sont apparus de manière ordonnée, permettant à l’ensemble du dispositif de mieux maintenir les angles magiques nécessaires à la supraconductivité.

C’est un résultat encourageant, a déclaré Swann, qui a construit l’appareil pour l’étude. « J’ai fabriqué 20 ou 30 dispositifs de graphène bicouche et j’en ai vu peut-être deux ou trois supraconducteurs », a-t-il déclaré. « Avec trois couches, vous pouvez explorer des propriétés difficiles à étudier dans les systèmes bicouches. »

Ces propriétés chevauchent une classe de matériaux complexes appelés les cuprates, qui sont supraconducteurs à une température relativement élevée de -220 °F. Une meilleure compréhension des origines de la supraconductivité pourrait aider les chercheurs à développer des fils qui ne perdront pas d’énergie lorsqu’ils conduisent l’électricité ou des appareils qui n’auront pas besoin d’être maintenus à des températures basses coûteuses.

À l’avenir, les chercheurs espèrent établir un lien entre ce qu’ils voient dans leurs scans et les mesures du phénomène quantique dans les dispositifs à trois couches. « Si nous pouvons contrôler ces twistons, qui dépendent tous du décalage d’angle entre les couches supérieure et inférieure de l’appareil, nous pouvons faire des études systématiques de leurs effets sur la supraconductivité », a déclaré Turkel. « C’est une question ouverte passionnante. »