Fig. 1. Structure cristalline du graphène bicouche Ca-intercalé fabriqué sur substrat SiC. L'insertion d'atomes de Ca entre deux couches de graphène provoque la supraconductivité.
Le graphène est une feuille de carbone à un seul atome avec un réseau hexagonal en nid d'abeille (Fig. 1). Les électrons du graphène prennent un état électronique spécial appelé cône de Dirac où ils se comportent comme s'ils n'avaient pas de masse. Cela leur permet de s'écouler à très grande vitesse, donnant au graphène un très haut niveau de conductivité électrique.
Ceci est important car des électrons sans masse circulant sans résistance dans le graphène pourraient conduire à la réalisation d'un nano-dispositif électronique à grande vitesse.
L'équipe collaborative de l'Université du Tohoku et de l'Université de Tokyo a développé une méthode pour faire croître du graphène de haute qualité sur un cristal de carbure de silicium (SiC) en contrôlant le nombre de feuilles de graphène. L'équipe a fabriqué du graphène bicouche avec cette méthode, puis a inséré des atomes de calcium (Ca) entre les deux couches de graphène comme un sandwich (Fig. 1).
Ils ont mesuré la conductivité électrique avec la méthode de la microsonde à quatre points et ont constaté que la résistivité électrique chute rapidement à environ 4 K (-269 °C), indiquant une émergence de la supraconductivité (Fig. 2).
L'équipe a également découvert que ni le graphène bicouche authentique ni le graphène bicouche intercalé au lithium ne présentaient de supraconductivité, indiquant que la supraconductivité est entraînée par le transfert d'électrons des atomes de Ca aux feuilles de graphène.
Le succès de la fabrication de graphène supraconducteur devrait avoir un impact considérable sur les recherches fondamentales et appliquées sur le graphène.
Fig.2 Dépendance en température de la résistivité électrique du graphène bicouche Ca-intercalé, mesurée par la méthode de la microsonde à quatre points (en médaillon). La résistivité montre une décroissance rapide vers 4 K et atteint "zéro" à 2 K, montrant l'émergence de la supraconductivité.
On ne sait pas actuellement quel phénomène se produit lorsque les électrons de Dirac sans masse deviennent supraconducteurs sans résistance. Mais sur la base des derniers résultats de l'étude, d'autres investigations expérimentales et théoriques aideraient à démêler les propriétés du graphène supraconducteur.
La température de transition supraconductrice (Tc) observée dans cette étude sur du graphène bicouche intercalé en Ca est encore faible (4 K). Cela incite à d'autres études sur les moyens d'augmenter la Tc, par exemple, en remplaçant Ca par d'autres métaux et alliages, ou changer le nombre de feuilles de graphène.
Du point de vue applicatif, les derniers résultats ouvrent la voie à la poursuite du développement de nanodispositifs supraconducteurs ultra-rapides tels qu'un dispositif d'informatique quantique, qui utilise du graphène supraconducteur dans son circuit intégré.
