Les scientifiques du HZB ont trouvé des preuves que les doubles couches de graphène ont une propriété qui peut leur permettre de conduire le courant complètement sans résistance. Ils ont sondé la structure de la bande à BESSY II avec un ARPES à très haute résolution et ont pu identifier une zone plate à un endroit surprenant. Leurs recherches sont publiées dans Avancées scientifiques .

Les atomes de carbone peuvent former des liaisons de plusieurs manières. Le carbone pur peut donc se présenter sous de nombreuses formes, y compris le diamant, graphite, nanotubes, molécules de football ou sous forme de filet alvéolé à mailles hexagonales, connu sous le nom de graphène. Cet exotique, le matériau strictement bidimensionnel conduit bien l'électricité, mais n'est pas un supraconducteur. Mais peut-être que cela peut être changé.

Une option compliquée pour la supraconductivité

En avril 2018, un groupe du MIT aux États-Unis a montré qu'il est possible de générer une forme de supraconductivité dans un système de deux couches de graphène dans des conditions très spécifiques. Pour faire ça, les deux filets hexagonaux doivent être torsadés l'un contre l'autre à un angle de 1,1 degré. A cette condition, une bande plate se forme dans la structure électronique. La préparation d'échantillons à partir de deux couches de graphène avec une torsion si exactement ajustée est complexe, et ne convient pas à la production de masse. Néanmoins, l'étude a attiré beaucoup d'attention parmi les experts.

Le moyen simple de bandes plates

Mais il y en a un de plus, manière beaucoup plus simple de former une bande plate. C'est ce qu'a montré un groupe du HZB autour du Prof. Oliver Rader et du Dr Andrei Varykhalov avec des investigations à BESSY II.

Les échantillons ont été fournis par le professeur Thomas Seyller, TU Chemnitz. Là, ils sont produits en utilisant un procédé qui convient également à la production de plus grandes surfaces et en grandes quantités :un cristal de carbure de silicium est chauffé jusqu'à ce que les atomes de silicium s'évaporent de la surface, laissant d'abord une seule couche de graphène sur la surface, puis une seconde couche de graphène. Les deux couches de graphène ne sont pas tordues l'une contre l'autre, mais se trouvent exactement les uns sur les autres.

Scan de la structure de la bande avec ARPES

Chez BESSY II, les physiciens sont capables de balayer la structure dite de bande de l'échantillon. Cette structure de bande fournit des informations sur la façon dont les porteurs de charge sont répartis entre les états autorisés par la mécanique quantique et quels porteurs de charge sont disponibles pour le transport. La spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) de BESSY II permet de telles mesures avec une résolution extrêmement élevée.

Via une analyse exacte de la structure de la bande, ils ont identifié une zone qui avait été précédemment négligée. "La double couche de graphène a déjà été étudiée car c'est un semi-conducteur avec une bande interdite, " explique Varykhalov. " Mais sur l'instrument ARPES de BESSY II, la résolution est suffisamment élevée pour reconnaître la zone plate à côté de cette bande interdite."

"C'est une propriété supervisée d'un système bien étudié, ", explique le premier auteur, le Dr Dmitry Marchenko. "On ignorait auparavant qu'il existe une zone plate dans la structure de la bande dans un système aussi simple et bien connu."

Cette zone plate est une condition préalable à la supraconductivité, mais seulement si elle se situe exactement à l'énergie dite de Fermi. Dans le cas du graphène à deux couches, son niveau d'énergie n'est que de 200 milli-électrons volts en dessous de l'énergie de Fermi, mais il est possible d'élever le niveau d'énergie de la zone plane à l'énergie de Fermi soit en dopant avec des atomes étrangers, soit en appliquant une tension externe, la tension dite de grille.

Les physiciens ont découvert que les interactions entre les deux couches de graphène et entre le graphène et le réseau de carbure de silicium sont conjointement responsables de la formation de la zone de bande plate. "Nous pouvons prédire ce comportement avec très peu de paramètres et pourrions utiliser ce mécanisme pour contrôler la structure de la bande, " ajoute Oliver Rader.