Il est difficile de croire qu'un seul matériau puisse être décrit par autant de superlatifs que le graphène peut le faire. Depuis sa découverte en 2004, les scientifiques ont découvert que la dentelle, une feuille d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles - essentiellement le copeau de mine de crayon le plus microscopique que vous puissiez imaginer - n'est pas seulement le matériau le plus fin connu au monde, mais aussi incroyablement léger et flexible, des centaines de fois plus résistant que l'acier, et plus conducteur que le cuivre.

Aujourd'hui, des physiciens du MIT et de l'Université Harvard ont découvert que le matériau merveilleux peut présenter des propriétés électroniques encore plus curieuses. Dans deux articles publiés aujourd'hui dans La nature , l'équipe rapporte qu'elle peut régler le graphène pour qu'il se comporte à deux extrêmes électriques :en tant qu'isolant, dans lequel les électrons sont complètement bloqués de circuler ; et en tant que supraconducteur, dans lequel le courant électrique peut circuler sans résistance.

Chercheurs dans le passé, y compris cette équipe, ont été capables de synthétiser des supraconducteurs au graphène en plaçant le matériau en contact avec d'autres métaux supraconducteurs - un arrangement qui permet au graphène d'hériter de certains comportements supraconducteurs. Cette fois-ci, l'équipe a trouvé un moyen de fabriquer elle-même du graphène supraconducteur, démontrant que la supraconductivité peut être une qualité intrinsèque dans le matériau purement carboné.

Les physiciens y sont parvenus en créant un "super-réseau" de deux feuilles de graphène empilées - pas précisément l'une sur l'autre, mais tourné très légèrement, à un "angle magique" de 1,1 degrés. Par conséquent, la superposition, le motif en nid d'abeille hexagonal est légèrement décalé, créer une configuration de moiré précise qui est prédite pour induire étrange, « interactions fortement corrélées » entre les électrons dans les feuilles de graphène. Dans toute autre configuration empilée, le graphène préfère rester distinct, interagissant très peu, électroniquement ou autrement, avec ses couches voisines.

L'équipe, dirigé par Pablo Jarillo-Herrero, professeur agrégé de physique au MIT, trouvé que lorsqu'il est tourné à l'angle magique, les deux feuilles de graphène présentent un comportement non conducteur, similaire à une classe exotique de matériaux connus sous le nom d'isolateurs Mott. Lorsque les chercheurs ont ensuite appliqué la tension, ajouter de petites quantités d'électrons au super-réseau de graphène, ils ont trouvé que, à un certain niveau, les électrons sont sortis de l'état isolant initial et ont coulé sans résistance, comme à travers un supraconducteur.

« Nous pouvons désormais utiliser le graphène comme nouvelle plate-forme pour étudier la supraconductivité non conventionnelle, " dit Jarillo-Herrero. " On peut aussi imaginer fabriquer un transistor supraconducteur à partir de graphène, que vous pouvez allumer et éteindre, du supraconducteur à l'isolant. Cela ouvre de nombreuses possibilités pour les appareils quantiques."

Un écart de 30 ans

La capacité d'un matériau à conduire l'électricité est normalement représentée en termes de bandes d'énergie. Une seule bande représente une gamme d'énergies que les électrons d'un matériau peuvent avoir. Il y a un fossé énergétique entre les bandes, et quand une bande est remplie, un électron doit incarner une énergie supplémentaire pour surmonter cet écart, afin d'occuper la prochaine bande vide.

Un matériau est considéré comme un isolant si la dernière bande d'énergie occupée est complètement remplie d'électrons. Les conducteurs électriques tels que les métaux, d'autre part, présenter des bandes d'énergie partiellement remplies, avec des états d'énergie vide que les électrons peuvent remplir pour se déplacer librement.

Isolateurs Mott, cependant, sont une classe de matériaux qui apparaissent à partir de leur structure de bande pour conduire l'électricité, mais lorsqu'il est mesuré, ils se comportent comme des isolants. Spécifiquement, leurs bandes d'énergie sont à moitié remplies, mais en raison de fortes interactions électrostatiques entre les électrons (telles que des charges de signe égal se repoussant), le matériau ne conduit pas l'électricité. La bande à moitié remplie se divise essentiellement en deux miniatures, bandes presque plates, avec des électrons occupant complètement une bande et laissant l'autre vide, et donc se comportant comme un isolant.

"Cela signifie que tous les électrons sont bloqués, c'est donc un isolant à cause de cette forte répulsion entre les électrons, donc rien ne peut couler, " explique Jarillo-Herrero. " Pourquoi les isolateurs Mott sont-ils importants ? Il s'avère que le composé parent de la plupart des supraconducteurs à haute température est un isolant Mott."

En d'autres termes, les scientifiques ont trouvé des moyens de manipuler les propriétés électroniques des isolants Mott pour les transformer en supraconducteurs, à des températures relativement élevées d'environ 100 Kelvin. Pour faire ça, ils "dopent" chimiquement le matériau avec de l'oxygène, dont les atomes attirent les électrons hors de l'isolant de Mott, laissant plus de place aux électrons restants pour circuler. Lorsque suffisamment d'oxygène est ajouté, l'isolant se transforme en supraconducteur. Comment exactement cette transition se produit, Jarillo-Herrero dit, a été un mystère de 30 ans.

"C'est un problème qui date de 30 ans et qui compte, non résolu, " dit Jarillo-Herrero. " Ces supraconducteurs à haute température ont été étudiés à mort, et ils ont beaucoup de comportements intéressants. Mais nous ne savons pas comment les expliquer."

Une rotation précise

Jarillo-Herrero et ses collègues ont cherché une plate-forme plus simple pour étudier une physique aussi peu conventionnelle. En étudiant les propriétés électroniques du graphène, l'équipe a commencé à jouer avec de simples piles de feuilles de graphène. Les chercheurs ont créé des super-réseaux à deux feuilles en exfoliant d'abord un seul flocon de graphène à partir de graphite, puis prélever soigneusement la moitié des paillettes avec une lame de verre enduite d'un polymère collant et d'un matériau isolant de nitrure de bore.

Ils ont ensuite fait pivoter très légèrement la lame de verre et ont ramassé la seconde moitié du flocon de graphène, en l'adhérant à la première moitié. De cette façon, ils ont créé un super-réseau avec un motif décalé qui est distinct du réseau en nid d'abeille original du graphène.

L'équipe a répété cette expérience, créer plusieurs « appareils », " ou des super-réseaux de graphène, avec différents angles de rotation, entre 0 et 3 degrés. Ils ont attaché des électrodes à chaque appareil et mesuré un courant électrique traversant, puis tracé la résistance de l'appareil, étant donné la quantité de courant d'origine qui a traversé.

"Si votre angle de rotation est décalé de 0,2 degrés, toute la physique est partie, " dit Jarillo-Herrero. "Aucune supraconductivité ou isolant de Mott n'apparaît. Il faut donc être très précis avec l'angle d'alignement."

À 1,1 degré - une rotation qui a été prédite comme un "angle magique" - les chercheurs ont découvert que le super-réseau de graphène ressemblait électroniquement à une structure de bande plate, semblable à un isolant Mott, dans lequel tous les électrons transportent la même énergie quelle que soit leur quantité de mouvement.

"Imaginez que l'élan d'une voiture soit la masse multipliée par la vitesse, " dit Jarillo-Herrero. " Si vous conduisez à 30 miles par heure, vous avez une certaine quantité d'énergie cinétique. Si vous conduisez à 60 milles à l'heure, vous avez une énergie beaucoup plus élevée, et si tu tombes en panne, vous pourriez déformer un objet beaucoup plus gros. Cette chose dit, peu importe si vous allez à 30, 60 ou 100 milles à l'heure, ils auraient tous la même énergie."

« Actuel gratuitement »

Pour les électrons, cela signifie que, même s'ils occupent une bande d'énergie à moitié remplie, un électron n'a pas plus d'énergie qu'un autre électron, pour lui permettre de se déplacer dans cette bande. Par conséquent, même si une telle structure de bande à moitié remplie doit agir comme un conducteur, il se comporte plutôt comme un isolant - et plus précisément, un isolant Mott.

Cela a donné une idée à l'équipe :et s'ils pouvaient ajouter des électrons à ces super-réseaux de type Mott, semblable à la façon dont les scientifiques ont dopé les isolants Mott avec de l'oxygène pour les transformer en supraconducteurs ? Le graphène assumerait-il à son tour des qualités supraconductrices ?

Découvrir, ils ont appliqué une petite tension de grille au "super-réseau de graphène à angle magique, " ajoutant de petites quantités d'électrons à la structure. En conséquence, électrons individuels liés ensemble avec d'autres électrons dans le graphène, leur permettant de s'écouler là où ils ne le pouvaient pas avant. Tout au long de, les chercheurs ont continué à mesurer la résistance électrique du matériau, et a constaté que lorsqu'ils ont ajouté un certain, petite quantité d'électrons, le courant électrique circulait sans dissiper l'énergie - tout comme un supraconducteur.

"Vous pouvez faire circuler le courant gratuitement, pas de gaspillage d'énergie, et cela montre que le graphène peut être un supraconducteur, " dit Jarillo-Herrero.

Peut-être plus important encore, il dit que les chercheurs sont capables de régler le graphène pour qu'il se comporte comme un isolant ou un supraconducteur, et toute phase intermédiaire, présentant toutes ces propriétés diverses dans un seul appareil. Contrairement à d'autres méthodes, dans lequel les scientifiques ont dû faire croître et manipuler des centaines de cristaux individuels, dont chacun peut être amené à se comporter dans une seule phase électronique.

"D'habitude, vous devez cultiver différentes classes de matériaux pour explorer chaque phase, " dit Jarillo-Herrero. " Nous faisons cela in situ, d'un seul coup, dans un appareil purement carbone. Nous pouvons explorer toute cette physique dans un seul appareil électriquement, plutôt que d'avoir à fabriquer des centaines d'appareils. Cela ne pourrait pas être plus simple."