La capacité d'activer et de désactiver la supraconductivité en appuyant littéralement sur un interrupteur dans le soi-disant "graphène torsadé à angle magique" a permis aux ingénieurs de Caltech d'observer un phénomène inhabituel qui pourrait jeter un nouvel éclairage sur la supraconductivité en général.

La recherche, dirigée par Stevan Nadj-Perge, professeur adjoint de physique appliquée et de science des matériaux, a été publiée dans la revue Nature le 15 juin.

Le graphène torsadé à angle magique, découvert pour la première fois en 2018, est composé de deux ou trois feuilles de graphène (une forme de carbone constituée d'une seule couche d'atomes dans un réseau en forme de nid d'abeille) superposées, chaque feuille étant tordue à exactement 1,05 degrés par rapport à celui en dessous. La bicouche ou la tricouche résultante a des propriétés électroniques inhabituelles :par exemple, elle peut être transformée en isolant ou en supraconducteur en fonction du nombre d'électrons ajoutés.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui présentent un état électronique particulier dans lequel les électrons peuvent circuler librement à travers les matériaux sans résistance, ce qui signifie que l'électricité les traverse sans aucune perte d'énergie en chaleur. Une telle transmission hyper-efficace de l'électricité a des applications potentielles infinies dans les domaines de l'informatique, de l'électronique et ailleurs.

Cependant, le hic avec la supraconductivité est que dans la plupart des matériaux, elle se produit à des températures extrêmement basses, généralement à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius). À de telles températures, les électrons forment des paires qui se comportent d'une manière fondamentalement différente par rapport aux électrons individuels et se condensent dans un état mécanique quantique qui permet aux paires d'électrons de circuler sans être dispersées.

La supraconductivité a été découverte pour la première fois il y a plus d'un siècle, mais les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement les mécanismes précis derrière la formation de paires d'électrons pour certains matériaux. Dans les supraconducteurs classiques, comme l'aluminium métallique, il est bien entendu que l'attraction entre électrons qui conduit à la formation de paires d'électrons est due à l'interaction des électrons avec le réseau cristallin du matériau. Le comportement de ces matériaux est décrit à l'aide de la théorie Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), du nom de John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer, qui ont partagé le prix Nobel de physique en 1972 pour le développement de la théorie.

En étudiant les tricouches torsadées à angle magique de graphène, Nadj-Perge et ses collègues ont découvert que la supraconductivité de ce matériau présente plusieurs propriétés très inhabituelles qui ne peuvent pas être décrites à l'aide de la théorie BSC, ce qui en fait probablement un supraconducteur non conventionnel.

Ils ont mesuré l'évolution de ce que l'on appelle l'écart supraconducteur lorsque les électrons sont retirés de la tricouche en appuyant sur un interrupteur pour activer ou désactiver un champ électrique. L'écart supraconducteur est une propriété qui décrit à quel point il est difficile d'ajouter ou de supprimer des électrons individuels dans un supraconducteur. Parce que les électrons d'un supraconducteur veulent être appariés, une certaine quantité d'énergie est nécessaire pour rompre ces paires. Cependant, la quantité d'énergie peut être différente pour les paires se déplaçant dans des directions différentes par rapport au réseau cristallin. En conséquence, "l'écart" a une forme spécifique qui est déterminée par la probabilité que les paires soient rompues par une quantité d'énergie particulière.

"Alors que les supraconducteurs existent depuis longtemps, une caractéristique remarquablement nouvelle des bicouches et tricouches de graphène torsadées est que la supraconductivité dans ces matériaux peut être activée simplement par l'application d'une tension sur une électrode à proximité", déclare Nadj-Perge, correspondant auteur de la Nature papier. "Un champ électrique ajoute ou supprime efficacement des électrons supplémentaires. Il fonctionne de manière très similaire car le courant est contrôlé dans les transistors conventionnels, et cela nous a permis d'explorer la supraconductivité d'une manière que l'on ne peut pas faire dans d'autres matériaux."

L'équipe a établi que dans les tricouches torsadées, deux régimes de supraconductivité avec des profils d'écart supraconducteur de formes différentes sont présents. Alors que l'un des régimes peut peut-être être expliqué par une théorie qui est dans une certaine mesure similaire à BCS, la présence de deux régimes montre qu'au sein de la phase supraconductrice, une transition supplémentaire est susceptible de se produire. Cette observation, ainsi que des mesures prises à différentes températures et champs magnétiques, souligne la nature non conventionnelle de la supraconductivité dans les tricouches.

Les nouvelles connaissances de l'équipe de Nadj-Perge donnent des indices essentiels pour les futures théories de la supraconductivité dans les multicouches de graphène torsadé. Nadj-Perge note qu'il semble que plus de couches rendent la supraconductivité plus robuste tout en restant hautement accordable, une propriété qui ouvre diverses possibilités d'utilisation de tricouches torsadées pour des dispositifs supraconducteurs qui pourraient un jour être utilisés en science quantique et peut-être en traitement de l'information quantique.

"Outre ses implications fondamentales pour notre compréhension de la supraconductivité, il est remarquable que l'ajout d'une couche de graphène supplémentaire ait facilité l'étude des propriétés supraconductrices. En fin de compte, c'est ce qui a permis nos découvertes", déclare Nadj-Perge.

L'article s'intitule "Preuve de la supraconductivité non conventionnelle dans le graphène tricouche torsadé". + Explorer plus loin

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