Ordre nématique dans le graphène bicouche torsadé. Crédit :Seiichiro Onari
Les supraconducteurs sont des matériaux qui conduisent le courant électrique sans pratiquement aucune résistance électrique. Cette capacité les rend extrêmement intéressants et attrayants pour une pléthore d'applications telles que les câbles d'alimentation sans perte, les moteurs électriques et les générateurs, ainsi que les électroaimants puissants qui peuvent être utilisés pour l'imagerie IRM et pour les trains à lévitation magnétique. Maintenant, des chercheurs de l'Université de Nagoya ont détaillé la nature supraconductrice d'une nouvelle classe de matériau supraconducteur, le graphène bicouche torsadé à angle magique.
Pour qu'un matériau se comporte comme un supraconducteur, de basses températures sont nécessaires. La plupart des matériaux n'entrent dans la phase supraconductrice qu'à des températures extrêmement basses, telles que -270°C, qui sont inférieures à celles mesurées dans l'espace. Cela limite considérablement leurs applications pratiques car un refroidissement aussi important nécessite un équipement de refroidissement à l'hélium liquide très coûteux et spécialisé. C'est la principale raison pour laquelle les technologies supraconductrices en sont encore à leurs balbutiements.
Les supraconducteurs à haute température (HTS), tels que certains exemples à base de fer et de cuivre, entrent dans la phase supraconductrice au-dessus de -200 ° C, une température plus facilement réalisable en utilisant de l'azote liquide qui refroidit un système à -195,8 ° C. Cependant, les applications industrielles et commerciales de HTS ont été jusqu'à présent limitées. Les matériaux HTS actuellement connus et disponibles sont des matériaux céramiques fragiles qui ne sont pas malléables et ne peuvent pas être transformés en formes utiles comme des fils. De plus, ils sont notoirement difficiles et coûteux à fabriquer. Cela rend la recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs critique et un axe de recherche important pour des physiciens comme le professeur Hiroshi Kontani et le Dr Seiichiro Onari du département de physique de l'université de Nagoya.
Récemment, un nouveau matériau a été proposé comme supraconducteur potentiel appelé graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG). Dans MATBG, deux couches de graphène, essentiellement des couches bidimensionnelles de carbone disposées dans un réseau en nid d'abeille, sont décalées d'un angle magique (environ 1,1 degré) qui conduit à la rupture de la symétrie de rotation et à la formation d'une symétrie d'ordre élevé connue sous le nom de SU(4). Lorsque la température change, le système subit des fluctuations quantiques, comme des ondulations de l'eau dans la structure atomique, qui conduisent à un nouveau changement spontané de la structure électronique et à une réduction de la symétrie. Cette rupture de symétrie de rotation est connue sous le nom d'état nématique, et elle a été étroitement associée aux propriétés supraconductrices d'autres matériaux.
Dans leurs travaux publiés récemment dans Physical Review Letters , le professeur Kontani et le Dr Onari utilisent des méthodes théoriques pour mieux comprendre la source de cet état nématique dans MATBG. "Puisque nous savons que la supraconductivité à haute température peut être induite par des fluctuations nématiques dans des systèmes électroniques fortement corrélés tels que les supraconducteurs à base de fer, clarifier le mécanisme et l'origine de cet ordre nématique peut conduire à la conception et à l'émergence de supraconducteurs à plus haute température", explique le Dr. . Onari.
Les chercheurs ont découvert que l'ordre nématique dans MATBG provient de l'interférence entre les fluctuations d'un nouveau degré de liberté qui combine les degrés de liberté de vallée et les degrés de liberté de spin, ce qui n'a pas été signalé dans les systèmes d'électrons conventionnels fortement corrélés. La température de transition supraconductrice du graphène bicouche torsadé est très basse, à 1K (–272°C), mais l'état nématique parvient à l'augmenter de plusieurs degrés.
Leurs résultats montrent également que bien que MATBG se comporte à certains égards comme un supraconducteur à haute température à base de fer, il possède également des propriétés distinctes assez intéressantes, telles qu'un courant de boucle de charge net donnant lieu à un champ magnétique dans un état polarisé de vallée, tandis que le courant de boucle est annulé par chaque vallée à l'état nématique. En outre, la malléabilité du graphène peut également jouer un rôle important dans l'augmentation des applications pratiques de ces supraconducteurs. Avec une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents de la supraconductivité, la science et la technologie se rapprochent d'un avenir conducteur qui est en effet super.
L'article, "SU(4) Valley + Spin Fluctuation Interference Mechanism for Nematic Order in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene:The Impact of Vertex Corrections", a été publié dans la revue Physical Review Letters le 9 février 2022. + Explorer plus loin
