Au cours des dernières décennies, d'énormes efforts de recherche ont été consacrés à l'exploration et à l'explication des supraconducteurs à haute température (haute Tc), une classe de matériaux présentant une résistance nulle à des températures particulièrement élevées. Maintenant une équipe de scientifiques des États-Unis, L'Allemagne et le Japon expliquent en La nature comment la structure électronique du graphène bicouche torsadé influence l'émergence de l'état isolant dans ces systèmes, qui est le précurseur de la supraconductivité dans les matériaux à haute Tc.

Trouver un matériau supraconducteur à température ambiante conduirait à une révolution technologique, atténuer la crise énergétique (car de nos jours, la majeure partie de l'énergie est perdue entre la génération et l'utilisation) et augmenter les performances informatiques à un tout nouveau niveau. Cependant, malgré les progrès réalisés dans la compréhension de ces systèmes, une description théorique complète est encore insaisissable, laissant notre recherche de supraconductivité à température ambiante principalement fortuite.

Dans une percée scientifique majeure en 2018, Il a été démontré que le graphène bicouche torsadé (TBLG) présente des phases de matière similaires à celles d'une certaine classe de matériaux supraconducteurs à haute Tc, les cuprates à haute Tc. Cela représente une nouvelle percée via une configuration expérimentale beaucoup plus propre et plus contrôlable.

Les scientifiques du Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), Freie Universität Berlin (tous deux en Allemagne), Université de Columbia, le Center for Computational Quantum Physics du Flatiron Institute (tous deux aux États-Unis) et le National Institute for Materials Science au Japon se sont concentrés sur l'état isolant du TBLG.

Ce matériau est composé de deux couches atomiquement minces de graphène, empilés à un très léger angle les uns par rapport aux autres. Dans cette structure, l'état isolant précède la phase supraconductrice à haute Tc. D'où, une meilleure compréhension de cette phase et de ce qui y conduit est cruciale pour le contrôle du TBLG.

Les scientifiques ont utilisé la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel (STM/STS) pour étudier les échantillons. Avec cette technique microscopique, les surfaces électriquement conductrices peuvent être examinées atome par atome. En utilisant la méthode pionnière "déchirer et empiler", ils ont placé deux couches atomiquement minces de graphène l'une sur l'autre et les ont légèrement tournées. Puis, l'équipe a directement cartographié les propriétés structurelles et électroniques à l'échelle atomique du matériau près de « l'angle magique » d'environ 1,1°.

Les résultats, qui viennent de paraître dans La nature , jeter un nouvel éclairage sur les facteurs influençant l'émergence de la supraconductivité dans le TBLG. L'équipe a observé que l'état isolant, qui précède l'état supraconducteur, apparaît à un niveau particulier de remplissage du système avec des électrons. Cela permet aux scientifiques d'estimer la force et la nature des interactions entre les électrons dans ces systèmes, une étape cruciale vers leur description.

En particulier, les résultats montrent que deux singularités de van Hove (vHs) distinctes dans la densité locale d'états apparaissent proches de l'angle magique qui ont une séparation dépendante du dopage de 40-57 meV. Cela démontre clairement pour la première fois que la séparation vHs est significativement plus grande qu'on ne le pensait auparavant. Par ailleurs, l'équipe montre clairement que le vHs se divise en deux pics lorsque le système est dopé près de la moitié du remplissage de la bande Moiré. Ce clivage dépendant du dopage s'explique par un écart induit par la corrélation, ce qui signifie que dans TBLG, l'interaction induite par les électrons joue un rôle prépondérant.

L'équipe a découvert que le rapport de l'interaction de Coulomb à la bande passante de chaque vHs individuel est plus crucial pour l'angle magique que la séparation des vHs. Cela suggère que l'état supraconducteur voisin est entraîné par un mécanisme d'appariement de type Cooper basé sur des interactions électron-électron. En outre, les résultats STS indiquent un certain niveau de nématicité électronique (rupture spontanée de la symétrie de rotation du réseau sous-jacent), un peu comme ce qui est observé dans les cuprates proches de l'état supraconducteur.

Avec cette recherche, l'équipe a franchi une étape cruciale vers la démonstration de l'équivalence de la physique des cuprates à haute Tc et celle des matériaux TBLG. Les connaissances acquises via TBLG dans cette étude permettront ainsi de mieux comprendre la supraconductivité à haute température dans les cuprates et conduiront à une meilleure analyse du fonctionnement détaillé de ces systèmes fascinants.

Les travaux de l'équipe sur la nature des états supraconducteurs et isolants observés dans le transport permettront aux chercheurs de comparer les théories et, espérons-le, de comprendre finalement le TBLG comme un tremplin vers une description plus complète des cuprates à haute température. À l'avenir, cela ouvrira la voie à une approche plus systématique de l'augmentation des températures supraconductrices dans ces systèmes et dans des systèmes similaires.