Des chercheurs du projet européen Graphene Flagship ont démontré des courants électriques supraconducteurs dans le graphène matériel bidimensionnel qui rebondissent entre les bords des feuilles sans se disperser. Cette première observation directe de la mise en miroir balistique des ondes électroniques dans un système 2D avec des supercourants pourrait conduire à l'utilisation de jonctions Josephson à base de graphène dans des applications telles que les circuits logiques numériques avancés, magnétomètres et voltmètres ultrasensibles.

Une jonction Josephson est réalisée en intercalant une fine couche de matériau non supraconducteur entre deux couches supraconductrices. Des paires entrelacées d'électrons supraconducteurs appelées paires de Cooper sont dans certaines circonstances capables de voyager sans résistance à travers la couche intermédiaire isolante ou partiellement isolante.

Le courant sans résistance se produit jusqu'à un courant critique, au-dessus duquel une tension variable dans le temps (alternative) est établie aux bornes de la jonction. La détection et la mesure du changement entre les états actuels sont à la base de nombreuses applications qui exploitent les jonctions Josephson.

Les circuits logiques électroniques peuvent être construits à partir de réseaux de jonctions Josephson, qui sont également utilisés dans les dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs. Les SQUID sont extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques, et forment la base de magnétomètres capables de mesurer des champs aussi faibles que quelques attoteslas (10-18T), et des voltmètres sensibles aux différences de potentiel des picovolts (10-12V).

Les utilisations pratiques de ces appareils ultra-sensibles comprennent la mesure des courants neurologiques dans le cerveau ou le cœur, et la recherche géophysique. Les applications militaires incluent la détection à distance des sous-marins.

Dans le dernier numéro de la revue Nature Nanotechnologie , une équipe internationale de physiciens dirigée par Lieven Vandersypen, membre de Graphene Flagship, qui est basé à l'Institut Kavli de Nanoscience à Delft, démontrer des signatures sans ambiguïté des jonctions Josephson dans le graphène, un allotrope bidimensionnel d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal. Dans le journal, dont les auteurs principaux sont Victor Calado et Srijit Goswami, les chercheurs étudient les supercourants balistiques dans le graphène, les électrons se reflétant entre des contacts de bord unidimensionnels en molybdène-rhénium.

Le graphène ultrapropre utilisé dans l'expérience - nécessaire pour préserver les propriétés électriques uniques du matériau - est protégé de la contamination environnementale en étant encapsulé entre des feuilles de nitrure de bore hexagonal isolant en matériau 2D. Cet empilement à trois couches est ensuite découpé à la forme souhaitée, et le graphène mis en contact avec l'alliage supraconducteur.

Tout comme la lumière rebondissant entre deux miroirs, conduisant à une figure d'interférence constituée par la superposition d'ondes électromagnétiques incidentes et réfléchies, les électrons peuvent se réfléchir sur les bords d'un supraconducteur. La différence est que l'interférence électronique n'est observée que dans des échantillons ultrapropres, dans lequel il est possible pour les particules chargées de se déplacer dans des trajectoires balistiques avec une diffusion minimale des impuretés dans le matériau.

C'est ce que Calado, Goswami et ses collègues ont observé dans leur configuration, avec une modulation saisissante du supercourant. Dans leur article sur Nature Nanotechnology, les chercheurs se réfèrent au courant critique oscillant en raison de l'interférence de cohérence de phase des électrons et des trous d'électrons qui transportent le courant. Ceci est causé par la formation d'une cavité résonante (Fabry-Pérot) entre les points du miroir. Par ailleurs, des supercourants relativement importants sont observés, parcourir des distances allant jusqu'à 1,5 micromètre. Les chercheurs pensent qu'il s'agit de la première observation directe de la mise en miroir balistique des supercourants dans le graphène.

"Ce travail nous permet de dévoiler une nouvelle physique liée à l'interaction entre la supraconductivité et le comportement relativiste des électrons dans le graphène, " dit Goswami. " Avec cette technologie, nous pouvons étudier et exploiter les jonctions de graphène Josephson dans un nouveau, régime passionnant."