Empilez deux couches de graphène, tordus à des angles légèrement différents les uns par rapport aux autres, et le matériau devient spontanément supraconducteur. La science ne peut toujours pas expliquer comment quelque chose d'aussi magique peut arriver, mais les physiciens utilisent un équipement spécial pour révéler ce qui se passe sous la surface.

La supraconductivité est un sujet qui intrigue les scientifiques depuis des générations, depuis qu'il a été noté pour la première fois il y a plus de 100 ans, dans le laboratoire de Leyde de la lauréate du prix Nobel Heike Kamerlingh Onnes. Il a refroidi le mercure à près du zéro absolu et tout à coup, toute résistance disparut. Si vous introduisez un courant électrique dans un métal aussi froid, il continuera à couler jusqu'à ce que le refroidissement soit arrêté.

Le refroidissement dans ce cas signifie une température d'environ 270 degrés en dessous de zéro, la température à laquelle l'hélium devient liquide. C'est compliqué et cher, les applications pratiques de la supraconductivité se limitaient donc aux aimants des scanners IRM dans les hôpitaux, jusqu'à maintenant.

En attendant, les physiciens ont recherché des supraconducteurs « chauds » qui fonctionneraient avec moins de refroidissement. Par exemple, des matériaux céramiques ont été développés qui sont supraconducteurs à moins 140. C'est le progrès, mais nous n'en sommes pas encore là. Il y a encore beaucoup de questions sans réponse. Ce qui se passe exactement à l'intérieur de ces matériaux est l'une de ces questions à laquelle les chercheurs de Leiden Tjerk Benschop et Sense Jan van der Molen espèrent trouver une réponse.

"L'histoire nous a appris qu'une quête comme celle-là peut prendre du temps, " dit Van der Molen, professeur de physique de la matière condensée. "Kamerlingh Onnes a découvert la supraconductivité en 1911, mais ce n'est qu'en 1957 qu'une bonne théorie explicative fut publiée. Et nous ne comprenons toujours pas complètement ces nouveaux supraconducteurs céramiques. C'est compliqué, même pour les physiciens. C'était aussi le postulat de notre collaboration :prenons un matériau relativement simple à expérimenter :le graphène. »

doctorat candidat Tjerk Benschop :« Ce qui est intéressant, c'est que la transition de phase vers la supraconductivité avec le graphène est similaire à celle des supraconducteurs céramiques. L'idée est qu'en étudiant le graphène, nous pouvons en apprendre davantage sur ce qui se passe dans d'autres supraconducteurs.

Nouveau rebondissement

Tout le monde a du graphène dans sa maison. Le noyau de graphite d'un crayon est constitué de couches infinies de graphène, dans lequel les atomes de carbone sont soigneusement disposés dans une structure en nid d'abeille. Van der Molen :« Le graphène bicouche a des caractéristiques particulières :vous pouvez littéralement lui donner une nouvelle tournure. Si vous tordez deux couches de graphène avec un léger angle, vous obtenez soudainement un matériau supraconducteur. Et si vous augmentez l'angle entre les couches, ce phénomène disparaît. Il y a beaucoup de physique complexe derrière cela, et à certains égards, c'est encore difficile à expliquer."

Benschop :"Ça a l'air un peu fou, mais à un angle magique de 1,1 degrés, les électrons des deux couches commencent à se sentir davantage; ils sont capables d'interagir. Cela se traduit par des caractéristiques uniques, dont l'un est la supraconductivité. Il est difficile d'expliquer pourquoi c'est le cas, car il y a de nombreuses étapes liées à la physique entre les deux. Par exemple, on parle de bandes d'électrons, quelque chose qui est difficile à imaginer."

Bandes plates

Un groupe international de chercheurs a cartographié en détail le sandwich au graphène supraconducteur, à l'aide de plusieurs techniques de mesure. Ils ont combiné l'expertise dans le domaine de la supraconductivité du superviseur de Benschop, Milan Allan, et son collègue Felix Baumberger en Suisse avec la recherche sur le graphène de Van der Molen. "Si vous mesurez vraiment avec précision, vous pouvez même vérifier l'état des électrons dans le matériau. Jusqu'à maintenant, personne n'avait réussi à démontrer que les électrons sont plus ou moins immobiles dans l'angle magique de ce qu'on appelle une bande plate. Et cela a demandé un travail énorme."

Benschop :« À un moment donné, J'ai sacrifié mes vacances de Noël pour faire des images de graphène tordu. La difficulté de ma technique est qu'on ne peut mesurer avec précision que si la surface du graphène est scrupuleusement propre. Vous numérisez avec une aiguille microscopique au-dessus de la surface et s'il y a jusqu'à une seule molécule de saleté quelque part, votre mesure échoue. Cela m'a causé beaucoup de tracas au début, découvrir ce qui a fonctionné le mieux une étape à la fois. Pour une mesure précise, la surface du graphène doit être vraiment propre, nous mesurons donc dans un environnement à ultra-vide, par exemple. Il y a moins de particules flottant dans la salle de mesure qu'il n'y en a dans l'espace."

Moment eurêka

Les minuscules spécimens de graphène bicouche torsadé ont été fabriqués par des collègues physiciens à Barcelone, puisque c'est une compétence à part entière. « Ce qui est bien avec la science, c'est que vous rencontrez des gens à travers des publications et des conférences et que vous trouvez de nouvelles idées ensemble, " dit Van der Molen. " Dans ce cas, nous avions besoin de quatre groupes de recherche pour réussir cela. »

"Après de longues journées au labo, répéter et améliorer patiemment, il y a enfin eu un moment eurêka, " Benschop nous dit. " Vous passez beaucoup de temps à y travailler, en espérant qu'à la fin, vous pourrez obtenir une bonne mesure. C'est un moment tellement spécial quand vous voyez la structure atomique du graphène apparaître sur votre écran, avec ce joli motif qui va avec le bon angle de torsion."

Dès que les deux couches de graphène sont tordues l'une par rapport à l'autre, une grande structure en nid d'abeille devient soudainement visible. C'est le même effet spontané de formation de motifs ou de moiré que vous obtenez lorsque vous déplacez deux fines couches de soie l'une sur l'autre. Van der Molen :"Ce motif n'est pas seulement une illusion d'optique; une nouvelle structure apparaît en fait, donnant aux électrons de nouvelles zones dans lesquelles se déplacer."

Y aura-t-il un jour des puces avec du graphène à angle magique dans les ordinateurs ou les smartphones ? Benschop ne le pense pas. "La supraconductivité se produit dans le graphène à moins 272 degrés, ce qui rend une application pratique infaisable car l'hélium liquide est extrêmement coûteux. Par dessus tout, nous en apprenons de plus en plus sur la façon dont la supraconductivité se produit et, espérons-le, cela fournira des idées pour de nouveaux matériaux supraconducteurs à température ambiante."

Lego

Selon Van der Molen, le graphène bicouche n'est que le début. Le fait est qu'il y a beaucoup d'autres plats, matériaux conducteurs qui peuvent également être empilés et torsadés. "Je le vois comme étant comme Lego. Vous mettez une couche sur une autre et s'il y a une forte interaction, un nouveau matériau aux caractéristiques inattendues apparaît. C'est un peu comme combiner de l'hydrogène avec de l'oxygène pour obtenir de l'eau, et où le tout est bien plus grand que la somme des parties."

Une autre option que Benschop est impatiente de rechercher est le gauchissement des matériaux bicouches, car cela modifie également les motifs de moiré et les caractéristiques électriques. "En bref, il y a un grand nombre de paramètres à expérimenter, " dit Van der Molen. " Il existe une prédiction théorique selon laquelle la température de la supraconductivité pourrait facilement être plus élevée. Mais comment y parvenir est quelque chose que nous connaissons trop peu, jusqu'à présent. C'est aussi la meilleure partie de notre domaine professionnel :un tas de choses sont difficiles à calculer ou à prévoir, donc l'expérimentation fait la différence."