Le matériau de superréseau moiré graphène/nitrure de bore est composé de trois couches atomiquement minces (2D) de graphène (gris) prises en sandwich entre des couches 2D de nitrure de bore (rouge et bleu) pour former un motif répétitif appelé superréseau moiré. La supraconductivité est indiquée par les cercles vert clair. Crédit :Guorui Chen et al./Berkeley Lab
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont développé un dispositif au graphène qui est plus fin qu'un cheveu humain mais qui possède une profondeur de traits spéciaux. Il passe facilement d'un matériau supraconducteur qui conduit l'électricité sans perdre d'énergie, à un isolant qui résiste au passage du courant électrique, et de nouveau à un supraconducteur, le tout avec un simple basculement d'un interrupteur. Leurs conclusions ont été publiées aujourd'hui dans le journal La nature .
"D'habitude, quand quelqu'un veut étudier comment les électrons interagissent entre eux dans une phase quantique supraconductrice par rapport à une phase isolante, ils auraient besoin d'examiner différents matériaux. Avec notre système, vous pouvez étudier à la fois la phase supraconductrice et la phase isolante en un seul endroit, " a déclaré Guorui Chen, l'auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Feng Wang, qui a dirigé l'étude. Wang, chercheur universitaire à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, est également professeur de physique à l'UC Berkeley.
Le dispositif de graphène est composé de trois couches atomiquement minces (2-D) de graphène. Lorsqu'il est pris en sandwich entre des couches 2D de nitrure de bore, il forme un motif répétitif appelé superréseau moiré. Le matériau pourrait aider d'autres scientifiques à comprendre la mécanique compliquée derrière un phénomène connu sous le nom de supraconductivité à haute température, où un matériau peut conduire l'électricité sans résistance à des températures plus élevées que prévu, mais encore des centaines de degrés au-dessous de zéro.
Dans une étude précédente, les chercheurs ont rapporté avoir observé les propriétés d'un isolant de Mott dans un dispositif en graphène tricouche. Un isolant Mott est une classe de matériau qui arrête de conduire l'électricité à des centaines de degrés au-dessous du point de congélation malgré la théorie classique prédisant la conductivité électrique. Mais on a longtemps cru qu'un isolant de Mott pouvait devenir supraconducteur en ajoutant plus d'électrons ou de charges positives pour le rendre supraconducteur, Chen a expliqué.
Depuis 10 ans, les chercheurs ont étudié les moyens de combiner différents matériaux 2D, commençant souvent par le graphène, un matériau connu pour sa capacité à conduire efficacement la chaleur et l'électricité. Hors de ce corpus d'œuvres, d'autres chercheurs ont découvert que les super-réseaux moirés formés avec du graphène présentent une physique exotique telle que la supraconductivité lorsque les couches sont alignées à l'angle juste.
« Donc, pour cette étude, nous nous sommes demandé :« Si notre système de graphène à trois couches est un isolant Mott, pourrait-il aussi s'agir d'un supraconducteur ?", a déclaré Chen.
Deux vues du dispositif d'hétérostructure tricouche graphène/nitrure de bore vu au microscope optique. L'or, les contacts électriques nanofabriqués sont représentés en jaune; le substrat dioxyde de silicium/silicium est représenté en marron; et les flocons de nitrure de bore sont représentés en vert. Le dispositif de graphène tricouche est encapsulé entre deux paillettes de nitrure de bore. Crédit :Guorui Chen/Laboratoire de Berkeley
Ouvrir la porte à un nouveau monde de la physique
En collaboration avec David Goldhaber-Gordon de l'Université de Stanford et le Stanford Institute for Materials and Energy Sciences du SLAC National Accelerator Laboratory, et Yuanbo Zhang de l'Université de Fudan, les chercheurs ont utilisé un réfrigérateur à dilution, qui peut atteindre des températures extrêmement froides de 40 millikelvins - ou près de moins 460 degrés Fahrenheit - pour refroidir le dispositif graphène/nitrure de bore jusqu'à une température à laquelle les chercheurs s'attendaient à ce que la supraconductivité apparaisse près de la phase isolante de Mott, dit Chen.
Une fois que l'appareil a atteint une température de 4 kelvins (moins 452 degrés Fahrenheit), les chercheurs ont appliqué une gamme de tensions électriques aux minuscules grilles supérieure et inférieure de l'appareil. Comme ils s'y attendaient, lorsqu'ils ont appliqué un champ électrique vertical élevé aux grilles supérieure et inférieure, un électron remplissait chaque cellule du dispositif graphène/nitrure de bore. Cela a amené les électrons à se stabiliser et à rester en place, et cette "localisation" des électrons a transformé l'appareil en un isolant de Mott.
Puis, ils ont appliqué une tension électrique encore plus élevée aux portes. Pour leur plus grand plaisir, une deuxième lecture a indiqué que les électrons n'étaient plus stables. Au lieu, ils faisaient la navette, passer de cellule en cellule, et conduire l'électricité sans perte ni résistance. En d'autres termes, l'appareil était passé de la phase isolante de Mott à la phase supraconductrice.
Chen a expliqué que le super-réseau moiré de nitrure de bore augmente en quelque sorte les interactions électron-électron qui ont lieu lorsqu'une tension électrique est appliquée à l'appareil, un effet qui enclenche sa phase supraconductrice. Il est également réversible - lorsqu'une tension électrique inférieure est appliquée aux portes, l'appareil repasse dans un état isolant.
L'appareil multitâche offre aux scientifiques un petit terrain de jeu polyvalent pour étudier l'interaction exquise entre les atomes et les électrons dans de nouveaux matériaux supraconducteurs exotiques avec une utilisation potentielle dans les ordinateurs quantiques - des ordinateurs qui stockent et manipulent des informations en qubits, qui sont généralement des particules subatomiques telles que des électrons ou des photons, ainsi que de nouveaux matériaux isolants Mott qui pourraient un jour faire des minuscules transistors Mott 2D pour la microélectronique une réalité.
"Ce résultat était très excitant pour nous. Nous n'avions jamais imaginé que le dispositif graphène/nitrure de bore ferait si bien, " dit Chen. " Vous pouvez étudier presque tout avec, des particules simples à la supraconductivité. C'est le meilleur système que je connaisse pour étudier de nouveaux types de physique, " dit Chen.
Cette étude a été soutenue par le Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un centre de recherche Energy Frontier dirigé par Berkeley Lab et financé par le DOE Office of Science. Le NPQC rassemble des chercheurs du Berkeley Lab, Laboratoire National d'Argonne, Université de Columbia, et UC Santa Barbara pour étudier comment la cohérence quantique sous-tend des phénomènes inattendus dans de nouveaux matériaux tels que le graphène tricouche, avec un œil sur les utilisations futures de la science et de la technologie de l'information quantique.
