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    Cascade ouvre la voie à la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé à angle magique

    Vue d'en haut, le graphène bicouche à angle magique ressemble à un motif connu sous le nom de moiré pour sa ressemblance avec un tissu français. Crédit :laboratoire Yazdani à l'Université de Princeton.

    Placez une seule feuille de carbone sur une autre à un léger angle et des propriétés remarquables émergent, y compris le flux de courant sans résistance très prisé connu sous le nom de supraconductivité.

    Maintenant, une équipe de chercheurs de Princeton a recherché les origines de ce comportement inhabituel dans un matériau connu sous le nom de graphène bicouche torsadé à angle magique, et détecté des signatures d'une cascade de transitions énergétiques qui pourraient aider à expliquer comment la supraconductivité apparaît dans ce matériau. L'article a été publié en ligne le 11 juin dans la revue La nature .

    "Cette étude montre que les électrons du graphène à angle magique sont dans un état hautement corrélé avant même que le matériau ne devienne supraconducteur, ", a déclaré Ali Yazdani, Classe de 1909 professeur de physique, le chef de l'équipe qui a fait la découverte. "Le changement soudain d'énergie lorsque nous ajoutons ou retirons un électron dans cette expérience fournit une mesure directe de la force de l'interaction entre les électrons."

    Ceci est important car ces sauts d'énergie offrent une fenêtre sur les comportements collectifs des électrons, comme la supraconductivité, qui émergent dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, un matériau composé de deux couches de graphène dans lequel la feuille supérieure est tournée d'un léger angle par rapport à l'autre.

    Dans les métaux de tous les jours, les électrons peuvent se déplacer librement à travers le matériau, mais les collisions entre les électrons et la vibration des atomes donnent lieu à une résistance et à la perte d'une partie de l'énergie électrique sous forme de chaleur - c'est pourquoi les appareils électroniques chauffent pendant l'utilisation.

    Dans les matériaux supraconducteurs, les électrons coopèrent. "Les électrons dansent en quelque sorte les uns avec les autres, " dit Biao Lian, un associé de recherche postdoctoral au Princeton Center for Theoretical Science qui deviendra professeur adjoint de physique cet automne, et l'un des co-premiers auteurs de l'étude. "Ils doivent collaborer pour entrer dans un état aussi remarquable."

    Par certaines mesures, graphène à angle magique, découvert il y a deux ans par Pablo Jarillo-Herrero et son équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT), est l'un des supraconducteurs les plus puissants jamais découverts. La supraconductivité est relativement robuste dans ce système même si elle se produit lorsqu'il y a très peu d'électrons en mouvement libre.

    Les chercheurs ont entrepris d'explorer comment la structure cristalline unique du graphène à angle magique permet des comportements collectifs. Les électrons ont non seulement une charge négative, mais aussi deux autres caractéristiques :moment cinétique ou "spin, " et les mouvements possibles dans la structure cristalline connus sous le nom d'états de "vallée". Les combinaisons de spin et de vallée constituent les différentes "saveurs" des électrons.

    L'équipe a notamment voulu savoir comment ces saveurs affectent les comportements collectifs, ils ont donc mené leurs expériences à des températures légèrement supérieures au point auquel les électrons interagissent fortement, que les chercheurs ont comparé à la phase parentale des comportements.

    "Nous avons mesuré la force entre les électrons dans le matériau à des températures plus élevées dans l'espoir que la compréhension de cette force nous aidera à comprendre le supraconducteur qu'il devient à des températures plus basses, " dit Dillon Wong, chercheur postdoctoral au Princeton Center for Complex Materials et co-premier auteur.

    Ils ont utilisé un outil appelé microscope à effet tunnel, dans lequel une pointe métallique conductrice peut ajouter ou retirer un électron du graphène à angle magique et détecter l'état énergétique résultant de cet électron.

    Parce que les électrons en interaction forte résistent à l'ajout d'un nouvel électron, cela coûte de l'énergie pour ajouter l'électron supplémentaire. Les chercheurs peuvent mesurer cette énergie et à partir de celle-ci déterminer la force de la force d'interaction.

    Une cascade de changements dans les propriétés électroniques du graphène à angle magique est observée par microscopie à effet tunnel à haute résolution en fonction de la tension appliquée, qui accorde le remplissage électronique entre pleinement occupé (v =4) et vide (v =-4). Crédit :laboratoire Yazdani à l'Université de Princeton

    "Je mets littéralement un électron et je vois combien d'énergie il en coûte pour pousser cet électron dans le bain coopératif, " a déclaré Kevin Nuckolls, un étudiant diplômé du Département de physique, également co-premier auteur.

    L'équipe a découvert que l'ajout de chaque électron provoquait une augmentation de la quantité d'énergie nécessaire pour en ajouter un autre, ce qui n'aurait pas été le cas si les électrons avaient pu entrer dans le cristal puis se déplacer librement parmi les atomes. La cascade de transitions énergétiques résultante résulte d'un saut d'énergie pour chacune des saveurs des électrons, car les électrons doivent assumer l'état d'énergie le plus bas possible tout en n'ayant pas la même énergie et la même saveur que les autres électrons au même endroit dans le cristal. .

    Une question clé dans le domaine est de savoir comment la force des interactions entre les électrons se compare aux niveaux d'énergie que les électrons auraient eu en l'absence de telles interactions. Dans les supraconducteurs les plus courants et à basse température, c'est une petite rectification, mais dans les rares supraconducteurs à haute température, on pense que les interactions entre les électrons modifient considérablement les niveaux d'énergie des électrons. La supraconductivité en présence d'une influence aussi dramatique des interactions entre les électrons est très mal comprise.

    Les mesures quantitatives des changements soudains détectés par les chercheurs confirment l'image selon laquelle le graphène à angle magique appartient à la classe des supraconducteurs à forte interaction entre les électrons.

    Le graphène est une couche mince d'un seul atome d'atomes de carbone, lequel, en raison des propriétés chimiques du carbone, s'organiser dans un treillis plat en nid d'abeille. Les chercheurs obtiennent du graphène en prenant un mince bloc de graphite - le même carbone pur utilisé dans les crayons - et en retirant la couche supérieure à l'aide de ruban adhésif.

    Ils empilent ensuite deux couches minces atomiques et font pivoter la couche supérieure d'exactement 1,1 degré, l'angle magique. Cela rend le matériau supraconducteur, ou atteindre des propriétés isolantes ou magnétiques inhabituelles.

    "Si vous êtes à 1,2 degrés, c'est mauvais. Son, c'est juste un métal fade. Il ne se passe rien d'intéressant. Mais si vous êtes à 1,1 degrés, vous voyez tout ce comportement intéressant, ", a déclaré Nuckolls.

    Ce désalignement crée un arrangement connu sous le nom de motif moiré pour sa ressemblance avec un tissu français.

    Pour mener les expériences, les chercheurs ont construit un microscope à effet tunnel dans le sous-sol du bâtiment de physique de Princeton, Salle Jadwin. Si grand qu'il occupe deux étages, le microscope se trouve au sommet d'une dalle de granit, qui flotte sur des ressorts pneumatiques. « Il faut isoler très précisément le matériel car il est extrêmement sensible aux vibrations, " dit Myungchul Oh, un associé de recherche postdoctoral et co-premier auteur.

    Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Oh, et Biao Lian ont contribué à parts égales au travail.

    Des contributions supplémentaires ont été faites par Yonglong Xie, qui a obtenu son doctorat. en 2019 et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Harvard; Sangjun Jeon, qui est maintenant professeur assistant à l'Université Chung-Ang à Séoul; Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi du National Institute for Material Science (NIMS) au Japon; et Princeton professeur de physique B. Andrei Bernevig.

    Une cascade similaire de transitions de phase électroniques a été notée dans un article publié simultanément dans La nature le 11 juin par une équipe dirigée par Shahal Ilani au Weizmann Institute of Science en Israël et mettant en vedette Jarillo-Herrero et ses collègues du MIT, Takashi Taniguchi et Kenji Watanabe de NIMS Japon, et des chercheurs de l'Université libre de Berlin.

    "L'équipe Weizmann a observé les mêmes transitions que nous avec une technique complètement différente, " Yazdani a déclaré. " Il est agréable de voir que leurs données sont compatibles à la fois avec nos mesures et notre interprétation. "

    L'étude, "Cascade de transitions électroniques dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, " par Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Biao Lian, Yonglong Xie, Sangjun Jeon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andreï Bernevig, et Ali Yazdani, a été publié le 11 juin dans la revue La nature .


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