Les chercheurs ont trouvé un moyen de déclencher l'inné, mais auparavant caché, capacité du graphène à agir comme un supraconducteur - ce qui signifie qu'il peut être amené à transporter un courant électrique avec une résistance nulle.

La découverte, signalé dans Communication Nature , améliore encore le potentiel du graphène, qui est déjà largement considéré comme un matériau qui pourrait révolutionner des secteurs tels que la santé et l'électronique. Le graphène est une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone et combine plusieurs propriétés remarquables; par exemple, c'est très fort, mais aussi léger et souple, et hautement conducteur.

Depuis sa découverte en 2004, les scientifiques ont émis l'hypothèse que le graphène pourrait également avoir la capacité d'être un supraconducteur. Jusqu'à maintenant, la supraconductivité dans le graphène n'a été obtenue qu'en le dopant avec, ou en le plaçant dessus, un matériau supraconducteur - un processus qui peut compromettre certaines de ses autres propriétés.

Mais dans la nouvelle étude, des chercheurs de l'Université de Cambridge ont réussi à activer le potentiel dormant du graphène en supraconducteur à part entière. Ceci a été réalisé en le couplant avec un matériau appelé oxyde de cuivre cérium praséodyme (PCCO).

Les supraconducteurs sont déjà utilisés dans de nombreuses applications. Parce qu'ils génèrent de grands champs magnétiques, ils sont un composant essentiel des scanners IRM et des trains en lévitation. Ils pourraient également être utilisés pour fabriquer des lignes électriques et des appareils à haut rendement énergétique capables de stocker de l'énergie pendant des millions d'années.

Le graphène supraconducteur ouvre encore plus de possibilités. Les chercheurs suggèrent, par exemple, que le graphène pourrait désormais être utilisé pour créer de nouveaux types de dispositifs quantiques supraconducteurs pour le calcul à grande vitesse. Curieusement, il pourrait également être utilisé pour prouver l'existence d'une forme mystérieuse de supraconductivité connue sous le nom de supraconductivité "à ondes p", que les universitaires peinent à vérifier depuis plus de 20 ans.

La recherche a été dirigée par le Dr Angelo Di Bernardo et le Dr Jason Robinson, Fellows au St John's College, Université de Cambridge, aux côtés des collaborateurs le professeur Andrea Ferrari, du Cambridge Graphene Centre; Professeur Oded Millo, de l'Université hébraïque de Jérusalem, et le professeur Jacob Linder, à l'Université norvégienne des sciences et de la technologie de Trondheim.

« Il a longtemps été postulé que, dans les bonnes conditions, le graphène doit subir une transition supraconductrice, mais je ne peux pas, " dit Robinson. " L'idée de cette expérience était, si on couple du graphène à un supraconducteur, pouvons-nous activer cette supraconductivité intrinsèque ? La question devient alors comment savez-vous que la supraconductivité que vous voyez provient du graphène lui-même, et pas le supraconducteur sous-jacent ?"

Des approches similaires ont été adoptées dans des études antérieures utilisant des supraconducteurs à base métallique, mais avec un succès limité. « Placer du graphène sur un métal peut considérablement modifier les propriétés de sorte qu'il ne se comporte techniquement plus comme prévu, " a déclaré Di Bernardo. " Ce que vous voyez n'est pas la supraconductivité intrinsèque du graphène, mais simplement celui du supraconducteur sous-jacent qui est transmis."

Le PCCO est un oxyde d'une classe plus large de matériaux supraconducteurs appelés « cuprates ». Il possède également des propriétés électroniques bien comprises, et en utilisant une technique appelée microscopie à balayage et à effet tunnel, les chercheurs ont pu distinguer la supraconductivité dans le PCCO de la supraconductivité observée dans le graphène.

La supraconductivité est caractérisée par la façon dont les électrons interagissent :au sein d'un supraconducteur, les électrons forment des paires, et l'alignement de spin entre les électrons d'une paire peut être différent selon le type - ou "symétrie" - de supraconductivité impliqué. Au PCCO, par exemple, l'état de spin des paires est désaligné (antiparallèle), dans ce qu'on appelle un "état d'onde d".

Par contre, lorsque le graphène a été couplé à du PCCO supraconducteur dans l'expérience dirigée par Cambridge, les résultats suggèrent que les paires d'électrons dans le graphène étaient dans un état d'onde p. "Ce que nous avons vu dans le graphène était, en d'autres termes, un type de supraconductivité très différent de celui du PCCO, " a déclaré Robinson. " C'était une étape vraiment importante car cela signifiait que nous savions que la supraconductivité ne venait pas de l'extérieur et que le PCCO n'était donc nécessaire que pour libérer la supraconductivité intrinsèque du graphène. "

On ne sait toujours pas quel type de supraconductivité l'équipe a activé, mais leurs résultats indiquent fortement qu'il s'agit de la forme insaisissable "p-wave". Si c'est le cas, l'étude pourrait transformer le débat en cours sur l'existence de ce mystérieux type de supraconductivité, et - si oui - de quoi s'agit-il exactement.

En 1994, des chercheurs japonais ont fabriqué un supraconducteur triplet qui peut avoir une symétrie d'onde p en utilisant un matériau appelé ruthénate de strontium (SRO). La symétrie de l'onde p de SRO n'a jamais été entièrement vérifiée, en partie entravé par le fait que SRO est un cristal volumineux, ce qui rend difficile la fabrication du type de dispositifs nécessaires pour tester les prédictions théoriques.

"Si la supraconductivité à onde p est effectivement créée dans le graphène, le graphène pourrait être utilisé comme un échafaudage pour la création et l'exploration d'un tout nouveau spectre de dispositifs supraconducteurs pour les domaines de la recherche fondamentale et appliquée, " a déclaré Robinson. " De telles expériences conduiraient nécessairement à une nouvelle science grâce à une meilleure compréhension de la supraconductivité de l'onde p, et comment il se comporte dans différents appareils et paramètres."

L'étude a également d'autres implications. Par exemple, cela suggère que le graphène pourrait être utilisé pour fabriquer un dispositif de type transistor dans un circuit supraconducteur, et que sa supraconductivité pourrait être incorporée dans l'électronique moléculaire. "En principe, étant donné la variété des molécules chimiques qui peuvent se lier à la surface du graphène, cette recherche peut aboutir au développement de dispositifs d'électronique moléculaire avec de nouvelles fonctionnalités basées sur le graphène supraconducteur, " a ajouté Di Bernardo.