En 2018, le monde de la physique a été embrasé par la découverte que lorsqu'une couche ultrafine de carbone, appelé graphène, est empilé et tordu à un "angle magique, " cette nouvelle structure à double couche se transforme en supraconducteur, permettant à l'électricité de circuler sans résistance ni gaspillage d'énergie. Maintenant, dans une torsion littérale, Les scientifiques de Harvard ont développé ce système supraconducteur en ajoutant une troisième couche et en la faisant tourner, ouvrant la porte à des progrès continus dans la supraconductivité à base de graphène.

Le travail est décrit dans un nouvel article dans Science et peut un jour aider à conduire vers des supraconducteurs qui fonctionnent à une température plus élevée ou même proche de la température ambiante. Ces supraconducteurs sont considérés comme le Saint Graal de la physique de la matière condensée car ils permettraient de formidables révolutions technologiques dans de nombreux domaines, notamment le transport d'électricité, transport, et l'informatique quantique. La plupart des supraconducteurs aujourd'hui, y compris la structure de graphène à double couche, ne fonctionne qu'à des températures ultrafroides.

"La supraconductivité dans le graphène torsadé fournit aux physiciens un système modèle contrôlable expérimentalement et théoriquement accessible où ils peuvent jouer avec les propriétés du système pour décoder les secrets de la supraconductivité à haute température, " a déclaré l'un des co-auteurs principaux de l'article, Andrew Zimmerman, un chercheur postdoctoral travaillant dans le laboratoire du physicien de Harvard Philip Kim.

Le graphène est une couche d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome qui est 200 fois plus résistante que l'acier tout en étant extrêmement flexible et plus légère que le papier. Il a presque toujours été connu pour être un bon conducteur de chaleur et de courant électrique, mais il est notoirement difficile à manipuler. Des expériences pour débloquer le puzzle du graphène bicouche torsadé sont en cours depuis que le physicien du MIT Pablo Jarillo-Herrero et son groupe ont été les pionniers du domaine émergent de la "twistronics" avec leur expérience en 2018 où ils ont produit le graphène supraconducteur en le tordant à un angle magique de 1,1 degrés. .

Les scientifiques de Harvard rapportent avoir réussi à empiler trois feuilles de graphène, puis à tordre chacune d'entre elles à cet angle magique pour produire une structure à trois couches qui est non seulement capable de supraconductivité, mais le fait de manière plus robuste et à des températures plus élevées que la plupart des doubles empilés. graphène. Le nouveau système amélioré est également sensible à un champ électrique appliqué de l'extérieur qui leur permet d'ajuster le niveau de supraconductivité en ajustant l'intensité de ce champ.

"Cela nous a permis d'observer le supraconducteur dans une nouvelle dimension et nous a fourni des indices importants sur le mécanisme qui commande la supraconductivité, " a déclaré l'autre auteur principal de l'étude, Zeyu Hao, un doctorat étudiant à la Graduate School of Arts and Sciences travaillant également dans le groupe Kim.

L'un de ces mécanismes a vraiment excité les théoriciens. Le système à trois couches a montré que sa supraconductivité est due à de fortes interactions entre les électrons par opposition aux faibles. Si vrai, cela peut non seulement aider à ouvrir la voie à la supraconductivité à haute température, mais également à des applications possibles en informatique quantique.

"Dans la plupart des supraconducteurs conventionnels, les électrons se déplacent à grande vitesse et se croisent parfois et s'influencent mutuellement. Dans ce cas, on dit que leurs effets d'interaction sont faibles, " a déclaré Eslam Khalaf, co-auteur de l'étude et boursier postdoctoral travaillant dans le laboratoire du professeur de physique de Harvard Ashvin Vishwanath. "Alors que les supraconducteurs à interaction faible sont fragiles et perdent leur supraconductivité lorsqu'ils sont chauffés à quelques Kelvins, les supraconducteurs à fort couplage sont beaucoup plus résistants mais beaucoup moins compris. La réalisation d'une supraconductivité à fort couplage dans un système simple et accordable tel qu'une tricouche pourrait ouvrir la voie à enfin développer une compréhension théorique des supraconducteurs fortement couplés pour aider à atteindre l'objectif d'une température élevée, peut-être même à température ambiante, supraconducteur."

Les chercheurs prévoient de continuer à explorer la nature de cette supraconductivité inhabituelle dans d'autres études.

"Plus on comprend, mieux nous avons de chance d'augmenter les températures de transition supraconductrices, " dit Kim.