Au printemps 2018, la découverte surprenante de la supraconductivité dans un nouveau matériau a fait vibrer la communauté scientifique. Construit en superposant une feuille de carbone sur une autre et en tordant celle du haut à un angle "magique", le matériau permettait aux électrons de circuler sans résistance, un trait qui pourrait considérablement augmenter la transmission de puissance écoénergétique et inaugurer une multitude de nouvelles technologies.

Maintenant, de nouvelles expériences menées à Princeton donnent des indices sur la façon dont ce matériau, connu sous le nom de graphène tordu à angle magique, donne naissance à la supraconductivité. Dans le numéro de cette semaine du journal La nature , Les chercheurs de Princeton fournissent des preuves solides que le comportement supraconducteur résulte de fortes interactions entre les électrons, donnant un aperçu des règles que les électrons suivent lorsque la supraconductivité émerge.

"C'est l'un des sujets les plus brûlants de la physique, " a déclaré Ali Yazdani, la classe de 1909 professeur de physique et auteur principal de l'étude. "C'est un matériau incroyablement simple, juste deux feuilles de carbone que l'on colle l'une sur l'autre, et il montre la supraconductivité."

Comment exactement surgit la supraconductivité est un mystère que les laboratoires du monde entier s'efforcent de résoudre. Le champ a même un nom, « twistronique ».

Une partie de l'excitation est que, par rapport aux supraconducteurs existants, le matériau est assez facile à étudier puisqu'il ne comporte que deux couches et un seul type d'atome, le carbone.

"L'essentiel à propos de ce nouveau matériau, c'est qu'il est un terrain de jeu pour tous ces types de physique auxquels les gens pensent depuis 40 ans, " a déclaré B. Andrei Bernevig, un professeur de physique spécialisé dans les théories pour expliquer les matériaux complexes.

La supraconductivité dans le nouveau matériau semble fonctionner par un mécanisme fondamentalement différent des supraconducteurs traditionnels, qui sont aujourd'hui utilisés dans des aimants puissants et d'autres applications limitées. Ce nouveau matériau présente des similitudes avec le cuivre, supraconducteurs à haute température découverts dans les années 1980 appelés cuprates. La découverte des cuprates a conduit au prix Nobel de physique en 1987.

Le nouveau matériau se compose de deux feuilles de carbone atomiquement minces appelées graphène. Également l'objet d'un prix Nobel de physique, en 2010, le graphène a un motif en nid d'abeille plat, comme une feuille de grillage. En mars 2018, Pablo Jarillo-Herrero et son équipe du Massachusetts Institute of Technology ont placé une deuxième couche de graphène au-dessus de la première, puis fait pivoter la feuille supérieure de l'angle "magique" d'environ 1,1 degrés. Cet angle avait été prédit plus tôt par les physiciens pour provoquer de nouvelles interactions d'électrons, mais cela a été un choc lorsque les scientifiques du MIT ont démontré la supraconductivité.

Vue d'en haut, les motifs de grillage qui se chevauchent donnent un effet de scintillement connu sous le nom de " moiré, " qui survient lorsque deux motifs géométriquement réguliers se chevauchent, et qui était autrefois populaire dans les tissus et les modes de la royauté des 17e et 18e siècles.

Ces motifs moirés donnent lieu à des propriétés profondément nouvelles que l'on ne voit pas dans les matériaux ordinaires. La plupart des matériaux ordinaires appartiennent à un spectre allant de l'isolant à la conduction. Les isolants piègent les électrons dans des poches ou des niveaux d'énergie qui les maintiennent en place, tandis que les métaux contiennent des états d'énergie qui permettent aux électrons de passer d'un atome à l'autre. Dans les deux cas, les électrons occupent des niveaux d'énergie différents et n'interagissent pas ou ne s'engagent pas dans un comportement collectif.

En graphène tordu, cependant, la structure physique du réseau moiré crée des états d'énergie qui empêchent les électrons de se séparer, les obligeant à interagir. "Cela crée une condition dans laquelle les électrons ne peuvent pas s'écarter les uns des autres, et au lieu de cela, ils doivent tous être dans des niveaux d'énergie similaires, qui est la condition première pour créer des états fortement intriqués, " a déclaré Yazdani.

La question posée par les chercheurs était de savoir si cet enchevêtrement avait un lien avec sa supraconductivité. De nombreux métaux simples sont également supraconducteurs, mais tous les supraconducteurs à haute température découverts à ce jour, y compris les cuprates, montrent des états fortement intriqués causés par la répulsion mutuelle entre les électrons. La forte interaction entre les électrons semble être une clé pour atteindre une supraconductivité à plus haute température.

Pour répondre à cette question, Les chercheurs de Princeton ont utilisé un microscope à effet tunnel qui est si sensible qu'il peut imager des atomes individuels sur une surface. L'équipe a scanné des échantillons de graphène tordu à angle magique dans lesquels ils contrôlaient le nombre d'électrons en appliquant une tension à une électrode à proximité. L'étude a fourni des informations microscopiques sur le comportement des électrons dans le graphène bicouche torsadé, alors que la plupart des autres études à ce jour n'ont surveillé que la conduction électrique macroscopique.

En composant le nombre d'électrons à des concentrations très faibles ou très élevées, les chercheurs ont observé des électrons se comportant presque indépendamment, comme ils le feraient dans les métaux simples. Cependant, à la concentration critique d'électrons où la supraconductivité a été découverte dans ce système, les électrons ont soudainement montré des signes d'interaction et d'intrication fortes.

À la concentration où la supraconductivité a émergé, l'équipe a découvert que les niveaux d'énergie des électrons sont devenus étonnamment larges, des signaux qui confirment une interaction forte et un enchevêtrement. Toujours, Bernevig a souligné que si ces expériences ouvrent la porte à des études plus approfondies, davantage de travail doit être fait pour comprendre en détail le type d'enchevêtrement qui se produit.

"Il y a encore tellement de choses que nous ne savons pas sur ces systèmes, ", a-t-il déclaré. "Nous sommes loin d'effleurer la surface de ce qui peut être appris grâce aux expériences et à la modélisation théorique."

Les contributeurs à l'étude comprenaient Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon; étudiant diplômé et premier auteur Yonglong Xie, chercheur postdoctoral Berthold Jäck, associé de recherche postdoctoral Xiaomeng Liu, et l'étudiant diplômé Cheng-Li Chiu dans le groupe de recherche de Yazdani; et Biao Lian dans le groupe de recherche de Bernevig.