Des physiciens découvrent une « famille » de structures de graphène robustes et supraconductrices

En ce qui concerne le graphène, il semble que la supraconductivité soit de la famille.

Le graphène est un matériau mince à un seul atome qui peut être exfolié à partir du même graphite que celui que l’on trouve dans la mine de crayon. Le matériau ultrafin est entièrement composé d’atomes de carbone disposés selon un simple motif hexagonal, similaire à celui du grillage à poule. Depuis son isolement en 2004, le graphène s’est avéré incarner de nombreuses propriétés remarquables sous sa forme monocouche.

En 2018, des chercheurs du MIT ont découvert que si deux couches de graphène sont empilées à un angle « magique » très spécifique, la structure bicouche torsadée pourrait présenter une supraconductivité robuste, un état matériel largement recherché dans lequel un courant électrique peut circuler sans perte d’énergie. Récemment, le même groupe a découvert qu’un état supraconducteur similaire existe dans le graphène tricouche torsadé, une structure composée de trois couches de graphène empilées à un nouvel angle magique précis.

Maintenant, l’équipe rapporte que – vous l’avez deviné – quatre et cinq couches de graphène peuvent être tordues et empilées à de nouveaux angles magiques pour obtenir une supraconductivité robuste à basse température. Cette dernière découverte, publiée cette semaine dans Matériaux naturels, établit les différentes configurations torsadées et empilées du graphène en tant que première « famille » connue de supraconducteurs multicouches à angle magique. L’équipe a également identifié des similitudes et des différences entre les membres de la famille des graphènes.

Les résultats pourraient servir de modèle pour la conception de supraconducteurs pratiques à température ambiante. Si les propriétés des membres de la famille pouvaient être reproduites dans d’autres matériaux naturellement conducteurs, elles pourraient être exploitées, par exemple, pour fournir de l’électricité sans dissipation ou construire des trains à lévitation magnétique qui fonctionnent sans frottement.

« Le système de graphène à angle magique est désormais une » famille « légitime, au-delà de quelques systèmes », déclare l’auteur principal Jeong Min (Jane) Park, étudiante diplômée au département de physique du MIT. « Avoir cette famille est particulièrement significatif car elle offre un moyen de concevoir des supraconducteurs robustes. »

‘Sans limites’

Le groupe de Jarillo-Herrero a été le premier à découvrir le graphène à angle magique, sous la forme d’une structure bicouche de deux feuilles de graphène placées l’une sur l’autre et légèrement décalées à un angle précis de 1,1 degré. Cette configuration torsadée, connue sous le nom de super-réseau moiré, a transformé le matériau en un supraconducteur solide et persistant à des températures ultra-basses.

Les chercheurs ont également découvert que le matériau présentait un type de structure électronique connue sous le nom de « bande plate », dans laquelle les électrons du matériau ont la même énergie, quel que soit leur élan. Dans cet état de bande plate et à des températures ultra-froides, les électrons normalement frénétiques ralentissent collectivement suffisamment pour s’apparier dans ce que l’on appelle des paires de Cooper – des ingrédients essentiels de la supraconductivité qui peuvent traverser le matériau sans résistance.

Alors que les chercheurs ont observé que le graphène bicouche torsadé présentait à la fois une supraconductivité et une structure de bande plate, il n’était pas clair si la première provenait de la seconde.

« Il n’y avait aucune preuve qu’une structure de bande plate conduisait à la supraconductivité », déclare Park. « D’autres groupes ont depuis produit d’autres structures torsadées à partir d’autres matériaux qui ont une bande plate, mais ils n’avaient pas vraiment de supraconductivité robuste. Nous nous sommes donc demandé : pourrions-nous produire un autre dispositif supraconducteur à bande plate ? »

Alors qu’ils examinaient cette question, un groupe de l’Université de Harvard a dérivé des calculs qui ont confirmé mathématiquement que trois couches de graphène, tordues à 1,6 degrés, présenteraient également des bandes plates, et ont suggéré qu’elles pourraient être supraconductrices. Ils ont ensuite montré qu’il ne devrait y avoir aucune limite au nombre de couches de graphène qui présentent une supraconductivité, si elles sont empilées et tordues de la bonne manière, aux angles qu’ils ont également prédits. Enfin, ils ont prouvé qu’ils pouvaient mathématiquement relier chaque structure multicouche à une structure de bande plate commune – une preuve solide qu’une bande plate peut conduire à une supraconductivité robuste.

« Ils ont découvert qu’il pourrait y avoir toute cette hiérarchie de structures de graphène, à des couches infinies, qui pourraient correspondre à une expression mathématique similaire pour une structure de bande plate », explique Park.

Peu de temps après ce travail, le groupe de Jarillo-Herrero a découvert qu’en effet, la supraconductivité et une bande plate émergeaient dans le graphène tricouche torsadé – trois feuilles de graphène, empilées comme un sandwich au fromage, la couche de fromage médiane décalée de 1,6 degrés par rapport aux couches externes en sandwich. . Mais la structure tricouche a également montré des différences subtiles par rapport à son homologue bicouche.

« Cela nous a amenés à nous demander, où ces deux structures se situent-elles en termes de toute la classe de matériaux, et sont-elles de la même famille? » dit Parc.

Une famille atypique

Dans l’étude actuelle, l’équipe a cherché à augmenter le nombre de couches de graphène. Ils ont fabriqué deux nouvelles structures, composées respectivement de quatre et cinq couches de graphène. Chaque structure est empilée en alternance, semblable au sandwich au fromage décalé de graphène tricouche torsadé.

L’équipe a conservé les structures dans un réfrigérateur en dessous de 1 kelvin (environ -273 degrés Celsius), a fait passer un courant électrique dans chaque structure et a mesuré la sortie dans diverses conditions, similaires aux tests de leurs systèmes bicouche et tricouche.

Dans l’ensemble, ils ont découvert que le graphène torsadé à quatre et cinq couches présente également une supraconductivité robuste et une bande plate. Les structures partageaient également d’autres similitudes avec leur homologue à trois couches, telles que leur réponse sous un champ magnétique de force, d’angle et d’orientation variables.

Ces expériences ont montré que les structures de graphène torsadées pouvaient être considérées comme une nouvelle famille ou classe de matériaux supraconducteurs courants. Les expériences ont également suggéré qu’il pourrait y avoir un mouton noir dans la famille : la structure bicouche torsadée d’origine, tout en partageant des propriétés clés, a également montré des différences subtiles par rapport à ses frères et sœurs. Par exemple, les expériences précédentes du groupe ont montré que la supraconductivité de la structure s’effondrait sous des champs magnétiques plus faibles et était plus inégale lorsque le champ tournait, par rapport à ses frères et sœurs multicouches.

L’équipe a effectué des simulations de chaque type de structure, cherchant une explication aux différences entre les membres de la famille. Ils ont conclu que le fait que la supraconductivité du graphène bicouche torsadé s’éteint dans certaines conditions magnétiques est simplement dû au fait que toutes ses couches physiques existent sous une forme « non reflétée » dans la structure. En d’autres termes, il n’y a pas deux couches dans la structure qui sont opposées l’une à l’autre, alors que les frères et sœurs multicouches du graphène présentent une sorte de symétrie miroir. Ces résultats suggèrent que le mécanisme conduisant les électrons à circuler dans un état supraconducteur robuste est le même dans toute la famille des graphènes torsadés.

« C’est assez important », note Park. « Sans le savoir, les gens pourraient penser que le graphène bicouche est plus conventionnel que les structures multicouches. Mais nous montrons que toute cette famille peut être des supraconducteurs non conventionnels et robustes. »