Teaser :Une équipe dirigée par Columbia a découvert une nouvelle méthode pour manipuler la conductivité électrique de ce matériau révolutionnaire, le plus puissant connu de l'homme avec des applications allant des dispositifs nano-électroniques à l'énergie propre.

Le graphène a été présenté comme un matériau miracle. Non seulement c'est le plus fort, matériau le plus fin jamais découvert, sa capacité exceptionnelle à conduire la chaleur et l'électricité ouvre la voie à l'innovation dans des domaines allant de l'électronique à l'énergie en passant par la médecine.

Maintenant, une équipe dirigée par l'université de Columbia a développé une nouvelle méthode pour ajuster finement les couches adjacentes de graphène - lacy, feuilles d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles pour induire la supraconductivité. Leurs recherches offrent de nouvelles perspectives sur la physique qui sous-tend les caractéristiques intrigantes de ce matériau bidimensionnel.

L'article de l'équipe est publié dans le numéro du 24 janvier de Science .

"Notre travail démontre de nouvelles façons d'induire la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé, en particulier, obtenu en appliquant une pression, " dit Cory Dean, professeur adjoint de physique à Columbia et chercheur principal de l'étude. "Cela fournit également une première confirmation critique des résultats du MIT de l'année dernière - que le graphène bicouche peut présenter des propriétés électroniques lorsqu'il est tordu à un angle - et approfondit notre compréhension du système, ce qui est extrêmement important pour ce nouveau domaine de recherche."

En mars 2018, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont rapporté une découverte révolutionnaire selon laquelle deux couches de graphène peuvent conduire l'électricité sans résistance lorsque l'angle de torsion entre elles est de 1,1 degré. appelé « angle magique ».

Mais atteindre cet angle magique s'est avéré difficile. "Les couches doivent être torsadées à environ un dixième de degré autour de 1,1, ce qui est expérimentalement difficile, " a déclaré Dean. "Nous avons découvert que de très petites erreurs d'alignement pouvaient donner des résultats totalement différents."

Alors Dean et ses collègues, qui comprennent des scientifiques du National Institute for Materials Science et de l'Université de Californie, Santa Barbara, a entrepris de tester si les conditions d'angle magique pouvaient être atteintes à des rotations plus importantes.

"Plutôt que d'essayer de contrôler précisément l'angle, nous avons demandé si nous pouvions plutôt faire varier l'espacement entre les couches, " a déclaré Matthew Yankowitz, chercheur postdoctoral au département de physique de Columbia et premier auteur de l'étude. "De cette façon, n'importe quel angle de torsion pourrait, en principe, être transformé en un angle magique."

Ils ont étudié un échantillon avec un angle de torsion de 1,3 degré, à peine plus grand que l'angle magique mais suffisamment éloigné pour empêcher la supraconductivité.

L'application d'une pression a transformé le matériau d'un métal en un isolant - dans lequel l'électricité ne peut pas circuler - ou un supraconducteur - où le courant électrique peut passer sans résistance - en fonction du nombre d'électrons dans le matériau.

"Remarquablement, en appliquant une pression supérieure à 10, 000 atmosphères on observe l'émergence des phases isolante et supraconductrice, " a déclaré Dean. De plus, la supraconductivité se développe à la température la plus élevée observée dans le graphène jusqu'à présent, un peu plus de 3 degrés au-dessus du zéro absolu."

Pour atteindre les hautes pressions nécessaires pour induire la supraconductivité, l'équipe a travaillé en étroite collaboration avec l'installation d'utilisateurs National High Magnetic Field, connu sous le nom de Maglab, à Tallahassee, Floride.

"Cet effort était un énorme défi technique, " a déclaré Dean. "Après avoir fabriqué l'un des appareils les plus uniques avec lesquels nous ayons jamais travaillé, il fallait alors combiner des températures cryogéniques, champs magnétiques élevés, et haute pression, tout en mesurant la réponse électrique. Mettre tout cela ensemble était une tâche ardue et notre capacité à le faire fonctionner est vraiment un hommage à l'expertise fantastique du Maglab. »

Les chercheurs pensent qu'il pourrait être possible d'augmenter davantage la température critique de la supraconductivité à des pressions encore plus élevées. L'objectif ultime est de développer un jour un supraconducteur capable de fonctionner dans des conditions de température ambiante, et bien que cela puisse s'avérer difficile dans le graphène, il pourrait servir de feuille de route pour atteindre cet objectif dans d'autres matériaux.

Andréa Young, professeur assistant de physique à l'UC Santa Barbara, un collaborateur à l'étude, a déclaré que le travail démontre clairement que la compression des couches a le même effet que leur torsion et offre un paradigme alternatif pour manipuler les propriétés électroniques du graphène.

"Nos résultats relâchent considérablement les contraintes qui rendent difficile l'étude du système et nous donnent de nouveaux boutons pour le contrôler, " a dit le jeune.

Dean et Young tordent et serrent maintenant une variété de matériaux atomiquement minces dans l'espoir de découvrir la supraconductivité émergeant dans d'autres systèmes bidimensionnels.

« Comprendre « pourquoi » tout cela se produit est un défi formidable mais essentiel pour finalement exploiter la puissance de ce matériau - et notre travail commence à percer le mystère, '", a déclaré Dean.