Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont découvert un moyen potentiel de fabriquer du graphène - une seule couche d'atomes de carbone très prometteuse pour l'électronique future - supraconductrice, un état dans lequel il transporterait de l'électricité avec une efficacité de 100 pour cent.

Les chercheurs ont utilisé un faisceau de lumière ultraviolette intense pour examiner en profondeur la structure électronique d'un matériau constitué de couches alternées de graphène et de calcium. Alors que l'on sait depuis près d'une décennie que ce matériau combiné est supraconducteur, la nouvelle étude offre la première preuve convaincante que les couches de graphène jouent un rôle dans ce processus, une découverte qui pourrait transformer l'ingénierie des matériaux pour les dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique.

"Notre travail indique une voie pour rendre le graphène supraconducteur - quelque chose dont la communauté scientifique rêvait depuis longtemps, mais n'a pas réussi à atteindre, " dit Shuolong Yang, un étudiant diplômé de l'Institut des sciences des matériaux et de l'énergie de Stanford (SIMES) qui a dirigé les recherches à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC.

Les chercheurs ont vu comment les électrons se dispersent entre le graphène et le calcium, interagir avec les vibrations naturelles de la structure atomique du matériau et s'apparier pour conduire l'électricité sans résistance. Ils ont rendu compte de leurs conclusions le 20 mars dans Nature Communications.

Le graphite rencontre le calcium

Graphène, une seule couche d'atomes de carbone disposés en nid d'abeilles, est le matériau connu le plus fin et le plus résistant et un excellent conducteur d'électricité, entre autres propriétés remarquables. Les scientifiques espèrent éventuellement l'utiliser pour fabriquer des transistors très rapides, capteurs et même des électrodes transparentes.

La façon classique de fabriquer du graphène consiste à peler des feuilles atomiquement minces d'un bloc de graphite, une forme de carbone pur qui est connue comme la mine des crayons. Mais les scientifiques peuvent également isoler ces feuilles de carbone en entrelaçant chimiquement du graphite avec des cristaux de calcium pur. Le résultat, connu sous le nom de graphite intercalé de calcium ou CaC6, consiste en une alternance de couches de graphène et de calcium d'une épaisseur d'un atome.

La découverte que le CaC6 est supraconducteur a déclenché une vague d'excitation :cela signifiait-il que le graphène pourrait ajouter la supraconductivité à sa liste de réalisations ? Mais en près d'une décennie d'essais, les chercheurs ont été incapables de dire si la supraconductivité du CaC6 provenait de la couche de calcium, la couche de graphène ou les deux.

Observer les électrons supraconducteurs

Pour cette étude, des échantillons de CaC6 ont été prélevés à l'University College de Londres et apportés à SSRL pour analyse.

"Ce sont des expériences extrêmement difficiles, " a déclaré Patrick Kirchmann, scientifique au SLAC et au SIMES. Mais la pureté de l'échantillon combinée à la haute qualité du faisceau de lumière ultraviolette leur a permis de voir en profondeur dans le matériau et de distinguer ce que faisaient les électrons de chaque couche, il a dit, révélant des détails de leur comportement qui n'avaient pas été vus auparavant.

« Avec cette technique, nous pouvons montrer pour la première fois comment les électrons vivant sur les plans du graphène sont réellement supraconducteurs, " a déclaré Jonathan Sobota, étudiant diplômé du SIMES, qui a réalisé les expériences avec Yang. "La couche de calcium apporte également des contributions cruciales. Enfin, nous pensons comprendre le mécanisme supraconducteur de ce matériau."

Bien que les applications du graphène supraconducteur soient spéculatives et lointaines, les scientifiques ont dit, ils pourraient inclure des transistors analogiques ultra-haute fréquence, capteurs nanométriques et dispositifs électromécaniques et dispositifs informatiques quantiques.