Si vous empilez deux couches de graphène l'une sur l'autre, et faites-les pivoter à un angle de 1,1º (ni plus ni moins) l'un de l'autre - le soi-disant «angle magique, ' des expériences ont prouvé que le matériau peut se comporter comme un isolant, où aucun courant électrique ne peut circuler, et en même temps peut aussi se comporter comme un supraconducteur, où les courants électriques peuvent circuler sans résistance.

Ce constat majeur a eu lieu en 2018. L'année dernière, en 2019, tandis que les chercheurs de l'ICFO amélioraient la qualité de l'appareil utilisé pour reproduire de telles percées, ils sont tombés sur quelque chose d'encore plus grand et totalement inattendu. Ils ont pu observer un zoo d'états supraconducteurs et corrélés auparavant inobservés, en plus d'un tout nouvel ensemble d'états magnétiques et topologiques, ouvrant un tout nouveau domaine de physique plus riche.

Jusque là, aucune théorie n'a pu expliquer la supraconductivité dans le graphène à angle magique au niveau microscopique. Cependant, cette découverte a déclenché de nombreuses études, qui tentent de comprendre et de dévoiler la physique derrière tous ces phénomènes qui se produisent dans ce matériau. En particulier, les scientifiques ont fait des analogies avec les supraconducteurs non conventionnels à haute température - les cuprates, qui détiennent les records de températures supraconductrices les plus élevées, seulement 2 fois inférieure à la température ambiante. Leur mécanisme microscopique de la phase supraconductrice n'est toujours pas compris, 30 ans après sa découverte. Cependant, de la même manière que le graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG), on pense qu'une phase isolante est responsable de la phase supraconductrice à proximité de celle-ci. Comprendre la relation entre les phases supraconductrice et isolante est au centre des intérêts des chercheurs, et pourrait conduire à une grande percée dans la recherche sur la supraconductivité.

Dans une étude publiée récemment dans La nature , Les chercheurs de l'ICFO Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H. L. Koppens, dirigé par ICFO Prof. Dmitri Efetov, en collaboration avec un groupe interdisciplinaire de scientifiques du MIT, Institut national des sciences des matériaux au Japon, et l'Imperial College de Londres, ont approfondi le comportement physique de ce système et ont rendu compte des tests détaillés et contrôlés par criblage des dispositifs Magic-Angle Twisted Bi-layer Graphene (MATBG) avec plusieurs angles de torsion proches de l'angle magique, pour trouver une explication possible pour les états mentionnés.

Dans leur expérience, ils ont pu contrôler simultanément la vitesse et les énergies d'interaction des électrons, et ainsi transformer les phases isolantes en phases supraconductrices. Normalement, à l'angle magique, un état isolant est formé, puisque les électrons ont des vitesses très faibles, et en plus, ils se repoussent fortement par la force coulombienne. Dans cette étude, Stepanov et son équipe ont utilisé des appareils avec des angles de torsion légèrement éloignés de l'angle magique de 1,1° par ± 0,05°, et placé ceux-ci très près des couches de blindage métalliques, en les séparant de quelques nanomètres seulement en isolant des couches hexagonales de nitrure de bore. Cela leur a permis de réduire la force de répulsion entre les électrons et de les accélérer, leur permettant ainsi de se déplacer librement, échapper à l'état isolant.

En faisant cela, Stepanov et ses collègues ont observé quelque chose d'assez inattendu. En changeant la tension (densité de porteuse) dans les différentes configurations d'appareils, la phase de supraconductivité est restée tandis que la phase d'isolant corrélée a disparu. En réalité, la phase supraconductrice s'étendait sur de plus grandes régions de densités même lorsque la densité de porteurs variait. De telles observations suggèrent que plutôt que d'avoir la même origine commune, la phase isolante et supraconductrice pourraient effectivement se concurrencer, ce qui remet en cause la simple analogie avec les cuprates que l'on croyait auparavant. Cependant, les scientifiques ont vite compris que la phase supraconductrice pouvait être encore plus intéressante, car il se trouve à proximité des états topologiques, qui sont activés par interaction électronique récurrente en appliquant un champ magnétique.

La supraconductivité avec le graphène Magic-Angle

La supraconductivité à température ambiante est la clé de nombreux objectifs technologiques tels que la transmission efficace de l'énergie, trains sans friction, ou encore des ordinateurs quantiques, entre autres. Découverte il y a plus de 100 ans, la supraconductivité n'était plausible que dans des matériaux refroidis à des températures proches du zéro absolu. Puis, à la fin des années 80, les scientifiques ont découvert des supraconducteurs à haute température en utilisant des matériaux céramiques appelés cuprates. Malgré la difficulté de construire des supraconducteurs et la nécessité d'appliquer des conditions extrêmes (champs magnétiques très forts) pour étudier le matériau, le domaine a décollé comme une sorte de Saint Graal parmi les scientifiques sur la base de cette avancée. Depuis l'année dernière, l'excitation autour de ce domaine a augmenté. Les doubles monocouches de carbone ont captivé les chercheurs car, contrairement aux cuprates, leur simplicité structurelle est devenue une excellente plate-forme pour explorer la physique complexe de la supraconductivité.