Les physiciens du MIT ont observé des signes d'un type rare de supraconductivité dans un matériau appelé graphène tricouche torsadé à angle magique. Dans une étude publiée dans La nature , les chercheurs rapportent que le matériau présente une supraconductivité à des champs magnétiques étonnamment élevés allant jusqu'à 10 Tesla, ce qui est trois fois plus élevé que ce que le matériau devrait supporter s'il s'agissait d'un supraconducteur conventionnel.

Les résultats impliquent fortement que le graphène tricouche à angle magique, qui a été initialement découvert par le même groupe, est un type très rare de supraconducteur, connu sous le nom de "spin-triplet", " qui est imperméable aux champs magnétiques élevés. De tels supraconducteurs exotiques pourraient grandement améliorer des technologies telles que l'imagerie par résonance magnétique, qui utilise des fils supraconducteurs sous un champ magnétique pour résonner avec et imager le tissu biologique. Les appareils d'IRM sont actuellement limités à des champs magnétiques de 1 à 3 Tesla. S'ils pouvaient être construits avec des supraconducteurs à spin triplet, L'IRM pourrait fonctionner sous des champs magnétiques plus élevés pour produire des images plus profondes du corps humain.

La nouvelle preuve de la supraconductivité spin-triplet dans le graphène tricouche pourrait également aider les scientifiques à concevoir des supraconducteurs plus puissants pour l'informatique quantique pratique.

"La valeur de cette expérience est ce qu'elle nous apprend sur la supraconductivité fondamentale, sur le comportement des matériaux, de sorte qu'avec ces leçons apprises, nous pouvons essayer de concevoir des principes pour d'autres matériaux qui seraient plus faciles à fabriquer, qui pourrait peut-être vous donner une meilleure supraconductivité, " dit Pablo Jarillo-Herrero, le professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT.

Ses co-auteurs de l'article incluent le postdoctorant Yuan Cao et l'étudiant diplômé Jeong Min Park au MIT, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Étrange changement

Les matériaux supraconducteurs sont définis par leur capacité super efficace à conduire l'électricité sans perdre d'énergie. Lorsqu'il est exposé à un courant électrique, les électrons dans un supraconducteur se couplent en "paires de Cooper" qui traversent ensuite le matériau sans résistance, comme les passagers d'un train express.

Dans la grande majorité des supraconducteurs, ces paires de passagers ont des vrilles opposées, avec un électron en rotation, et l'autre vers le bas, une configuration connue sous le nom de « spin-singulet ». Ces paires accélèrent joyeusement à travers un supraconducteur, sauf sous des champs magnétiques élevés, qui peut déplacer l'énergie de chaque électron dans des directions opposées, séparer la paire. De cette façon, et par des mécanismes, des champs magnétiques élevés peuvent faire dérailler la supraconductivité dans les supraconducteurs à spin unique conventionnels.

"C'est la raison ultime pour laquelle dans un champ magnétique suffisamment grand, la supraconductivité disparaît, " dit Parc.

Mais il existe une poignée de supraconducteurs exotiques qui sont imperméables aux champs magnétiques, jusqu'à de très grandes forces. Ces matériaux sont supraconducteurs à travers des paires d'électrons ayant le même spin, une propriété connue sous le nom de « spin-triplet ». Lorsqu'ils sont exposés à des champs magnétiques élevés, l'énergie des deux électrons d'une paire de Cooper se déplace dans la même direction, de manière à ce qu'ils ne soient pas séparés mais continuent à être supraconducteurs sans être perturbés, quelle que soit l'intensité du champ magnétique.

Le groupe de Jarillo-Herrero était curieux de savoir si le graphène tricouche à angle magique pouvait contenir des signes de cette supraconductivité à triplet de spin plus inhabituelle. L'équipe a réalisé des travaux pionniers dans l'étude des structures moirées du graphène, des couches de réseaux de carbone atomiques minces qui, lorsqu'ils sont empilés à des angles spécifiques, peut donner lieu à des comportements électroniques surprenants.

Les chercheurs ont initialement signalé ces propriétés curieuses dans deux feuilles de graphène inclinées, qu'ils ont surnommé graphène bicouche à angle magique. Ils ont rapidement suivi avec des tests de graphène tricouche, une configuration sandwich de trois feuilles de graphène qui s'est avérée encore plus résistante que son homologue bicouche, maintien de la supraconductivité à des températures plus élevées. Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique modeste, ils ont remarqué que le graphène tricouche était capable de supraconducteur à des intensités de champ qui détruiraient la supraconductivité dans le graphène bicouche.

"Nous pensions, c'est quelque chose de très étrange, " dit Jarillo-Herrero.

Un super retour

Dans leur nouvelle étude, les physiciens ont testé la supraconductivité du graphène tricouche sous des champs magnétiques de plus en plus élevés. Ils ont fabriqué le matériau en décollant de fines couches de carbone d'un bloc de graphite, empiler trois couches ensemble, et faire pivoter celui du milieu de 1,56 degrés par rapport aux couches externes. Ils ont attaché une électrode à chaque extrémité du matériau pour faire passer un courant et mesurer toute énergie perdue au cours du processus. Puis ils ont allumé un gros aimant dans le laboratoire, avec un champ qu'ils orientaient parallèlement au matériau.

En augmentant le champ magnétique autour du graphène tricouche, ils ont observé que la supraconductivité tenait bon jusqu'à un certain point avant de disparaître, mais est ensuite curieusement réapparu à des intensités de champ plus élevées - un retour qui est très inhabituel et qui n'est pas connu pour se produire dans les supraconducteurs à spin unique conventionnels.

"Dans les supraconducteurs à spin unique, si vous tuez la supraconductivité, ça ne revient jamais - c'est parti pour de bon, " dit Cao. " Tiens, il est réapparu. Cela dit donc clairement que ce matériau n'est pas un spin-singlet. »

Ils ont également observé qu'après « la rentrée, " la supraconductivité a persisté jusqu'à 10 Tesla, l'intensité de champ maximale que l'aimant du laboratoire pourrait produire. C'est environ trois fois plus élevé que ce que le supraconducteur devrait supporter s'il s'agissait d'un singulet de spin conventionnel, selon la limite de Pauli, une théorie qui prédit le champ magnétique maximal auquel un matériau peut conserver la supraconductivité.

Réapparition de la supraconductivité du graphène tricouche, jumelé à sa persistance à des champs magnétiques plus élevés que prévu, exclut la possibilité que le matériau soit un supraconducteur ordinaire. Au lieu, c'est probablement un type très rare, éventuellement un spin-triplet, héberger des paires de Cooper qui accélèrent à travers le matériel, insensible aux champs magnétiques élevés. L'équipe prévoit d'approfondir le matériau pour confirmer son état de rotation exact, qui pourraient aider à éclairer la conception d'appareils d'IRM plus puissants, et aussi des ordinateurs quantiques plus robustes.

"L'informatique quantique classique est super fragile, " dit Jarillo-Herrero. " Vous le regardez et, pouf, il disparaît. Il y a environ 20 ans, les théoriciens ont proposé un type de supraconductivité topologique qui, s'il est réalisé dans n'importe quel matériau, pourrait [activer] un ordinateur quantique où les états responsables du calcul sont très robustes. Cela donnerait infiniment plus de puissance pour faire de l'informatique. L'ingrédient clé pour réaliser ce serait des supraconducteurs à spin triplet, d'un certain type. Nous n'avons aucune idée si notre type est de ce type. Mais même si ce n'est pas le cas, cela pourrait faciliter l'association de graphène tricouche avec d'autres matériaux pour concevoir ce type de supraconductivité. Cela pourrait être une percée majeure. Mais il est encore très tôt."