Dans les matériaux conducteurs normaux tels que l'argent et le cuivre, le courant électrique circule avec des degrés de résistance variables, sous forme d'électrons individuels qui éliminent les défauts par ping-pong, dissiper l'énergie au fur et à mesure. supraconducteurs, par contre, sont ainsi nommés pour leur capacité remarquable à conduire l'électricité sans résistance, au moyen d'électrons qui s'apparient et se déplacent à travers un matériau comme un seul, ne générant aucune friction.

Maintenant, les physiciens du MIT ont découvert qu'un flocon de graphène, lorsqu'il est amené à proximité de deux matériaux supraconducteurs, peuvent hériter de certaines des qualités supraconductrices de ces matériaux. Comme le graphène est pris en sandwich entre les supraconducteurs, son état électronique change radicalement, même en son centre.

Les chercheurs ont découvert que les électrons du graphène, se comportant autrefois en tant qu'individu, particules de diffusion, à la place, jumelez-vous dans des "états Andreev" - une configuration électronique fondamentale qui permet un matériau non supraconducteur pour transporter un "supracourant, " un courant électrique qui circule sans dissiper d'énergie.

Leurs découvertes, publié cette semaine dans Physique de la nature , sont la première étude des états d'Andreev dus à "l'effet de proximité" de la supraconductivité dans un matériau bidimensionnel tel que le graphène.

En bas de la route, la plate-forme de graphène des chercheurs peut être utilisée pour explorer des particules exotiques, comme les fermions de Majorana, qui sont censés provenir des états d'Andreev et peuvent être des particules clés pour la construction de puissants, ordinateurs quantiques à l'épreuve des erreurs.

"Il y a un énorme effort dans la communauté de la physique condensée pour rechercher des états électroniques quantiques exotiques, " dit l'auteur principal Landry Bretheau, un post-doctorat au département de physique du MIT. "En particulier, de nouvelles particules appelées fermions de Majorana devraient émerger dans le graphène connecté à des électrodes supraconductrices et exposé à de grands champs magnétiques. Notre expérience est prometteuse, car nous unifions certains de ces ingrédients."

Les co-auteurs de Landry au MIT sont le postdoctorant Joel I-Jan Wang, l'étudiant invité Riccardo Pisoni, et professeur agrégé de physique Pablo Jarillo-Herrero, avec Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux, au Japon.

L'effet de proximité supraconducteur

En 1962, le physicien britannique Brian David Josephson a prédit que deux supraconducteurs prenant en sandwich une couche non supraconductrice entre eux pourraient soutenir un supercourant de paires d'électrons, sans aucune tension externe.

Dans son ensemble, le supercourant associé à l'effet Josephson a été mesuré dans de nombreuses expériences. Mais les états d'Andreev - considérés comme les éléments constitutifs microscopiques d'un supercourant - n'ont été observés que dans une poignée de systèmes, tels que les fils d'argent, et jamais dans un matériau bidimensionnel.

Bretheau, Wang, et Jarillo-Herrero a résolu ce problème en utilisant du graphène, une feuille ultrafine d'atomes de carbone interconnectés, comme matériau non supraconducteur. Graphène, comme l'explique Bretheau, est un système extrêmement "propre", présentant très peu de diffusion des électrons. Le graphène étendu, La configuration atomique permet également aux scientifiques de mesurer les états électroniques d'Andreev du graphène lorsque le matériau entre en contact avec les supraconducteurs. Les scientifiques peuvent également contrôler la densité des électrons dans le graphène et étudier comment il affecte l'effet de proximité supraconducteur.

Les chercheurs ont exfolié un flocon très fin de graphène, à peine quelques centaines de nanomètres de large, à partir d'un plus gros morceau de graphite, et placé le flocon sur une petite plate-forme faite d'un cristal de nitrure de bore recouvrant une feuille de graphite. À chaque extrémité du flocon de graphène, ils ont placé une électrode en aluminium, qui se comporte comme un supraconducteur à basse température. Ils ont ensuite placé la structure entière dans un réfrigérateur à dilution et ont abaissé la température à 20 millikelvins, bien dans la plage supraconductrice de l'aluminium.

États « frustrés »

Dans leurs expériences, les chercheurs ont fait varier l'amplitude du supercourant circulant entre les supraconducteurs en appliquant un champ magnétique changeant à l'ensemble de la structure. Ils ont également appliqué une tension externe directement au graphène, faire varier le nombre d'électrons dans le matériau.

Dans ces conditions changeantes, l'équipe a mesuré la densité d'états électroniques du graphène alors que le flocon était en contact avec les deux supraconducteurs en aluminium. En utilisant la spectroscopie tunnel, une technique courante qui mesure la densité d'états électroniques dans un échantillon conducteur, les chercheurs ont pu sonder la région centrale du graphène pour voir si les supraconducteurs avaient un effet, même dans les zones où ils ne touchaient pas physiquement le graphène.

Les mesures ont indiqué que les électrons du graphène, qui agissent normalement comme des particules individuelles, faisaient équipe, bien que dans des configurations "frustrées", avec des énergies dépendantes du champ magnétique.

"Les électrons d'un supraconducteur dansent harmonieusement par paires, comme un ballet, mais la chorégraphie dans les supraconducteurs gauche et droit peut être différente, " dit Bretheau. " Les paires dans le graphène central sont frustrées alors qu'elles essaient de satisfaire les deux façons de danser. Ces paires frustrées sont ce que les physiciens appellent Andreev; ils transportent le supercourant."

Bretheau et Wang ont découvert que les états d'Andreev faisaient varier leur énergie en réponse à un champ magnétique changeant. Les états d'Andreev sont plus prononcés lorsque le graphène a une densité d'électrons plus élevée et qu'il y a un supercourant plus fort entre les électrodes.

"[Les supraconducteurs] confèrent en fait au graphène des qualités supraconductrices, " dit Bretheau. "Nous avons découvert que ces électrons peuvent être considérablement affectés par les supraconducteurs."

Alors que les chercheurs effectuaient leurs expériences sous de faibles champs magnétiques, ils disent que leur plate-forme peut être un point de départ pour explorer les fermions de Majorana plus exotiques qui devraient apparaître sous des champs magnétiques élevés.

"Il y a des propositions sur la façon d'utiliser les fermions de Majorana pour construire de puissants ordinateurs quantiques, " dit Bretheau. " Ces particules pourraient être la brique élémentaire des ordinateurs quantiques topologiques, avec une très forte protection contre les erreurs. Notre travail est un premier pas dans cette direction."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.