Lorsque deux feuilles de graphène sont empilées l'une sur l'autre au bon angle, la structure en couches se transforme en un supraconducteur non conventionnel, laisser passer les courants électriques sans résistance ni gaspillage d'énergie.

Cette transformation "d'angle magique" dans le graphène bicouche a été observée pour la première fois en 2018 dans le groupe de Pablo Jarillo-Herrero, le professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT. Depuis, les scientifiques ont recherché d'autres matériaux pouvant être transformés de la même manière en supraconductivité, dans le domaine émergent de la "twistronics". Pour la plupart, aucun autre matériau torsadé n'a présenté de supraconductivité autre que le graphène bicouche torsadé d'origine, jusqu'à maintenant.

Dans un article paru dans La nature , Jarillo-Herrero et son groupe rapportent avoir observé la supraconductivité dans un sandwich de trois feuilles de graphène, dont la couche médiane est tordue sous un nouvel angle par rapport aux couches extérieures. Cette nouvelle configuration tricouche présente une supraconductivité plus robuste que son homologue bicouche.

Les chercheurs peuvent également régler la supraconductivité de la structure en appliquant et en faisant varier l'intensité d'un champ électrique externe. En ajustant la structure tricouche, les chercheurs ont pu produire une supraconductivité ultra-fortement couplée, un type exotique de comportement électrique qui a rarement été vu dans tout autre matériau.

"Il n'était pas clair si le graphène bicouche à angle magique était une chose exceptionnelle, mais maintenant nous savons qu'il n'est pas seul; il a un cousin dans le boîtier tricouche, " dit Jarillo-Herrero. " La découverte de ce supraconducteur hyperaccordable étend le champ de la twistronique dans des directions entièrement nouvelles, avec des applications potentielles dans les technologies de l'information et de la détection quantiques."

Ses co-auteurs sont l'auteur principal Jeong Min Park et Yuan Cao au MIT, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Une nouvelle super famille

Peu de temps après que Jarillo-Herrero et ses collègues aient découvert que la supraconductivité pouvait être générée dans le graphène bicouche torsadé, les théoriciens ont proposé que le même phénomène puisse être observé dans trois ou plusieurs couches de graphène.

Une feuille de graphène est une fine couche atomique de graphite, entièrement constitué d'atomes de carbone disposés en réseau en nid d'abeille, comme le plus mince, grillage à poulet le plus solide. Les théoriciens ont proposé que si trois feuilles de graphène étaient empilées comme un sandwich, avec la couche intermédiaire tournée de 1,56 degrés par rapport aux couches externes, la configuration torsadée créerait une sorte de symétrie qui encouragerait les électrons du matériau à s'apparier et à circuler sans résistance, la marque de fabrique de la supraconductivité.

"Nous pensions, Pourquoi pas, essayons et testons cette idée, " dit Jarillo-Herrero.

Park et Cao ont conçu des structures de graphène à trois couches en découpant soigneusement une seule feuille de graphène en trois sections et en empilant chaque section les unes sur les autres aux angles précis prédits par les théoriciens.

Ils ont fait plusieurs structures tricouches, chacun mesurant quelques micromètres de diamètre (environ 1/100 du diamètre d'un cheveu humain), et trois atomes de haut.

"Notre structure est un nanosandwich, " dit Jarillo-Herrero.

L'équipe a ensuite attaché des électrodes à chaque extrémité des structures, et a fait passer un courant électrique tout en mesurant la quantité d'énergie perdue ou dissipée dans le matériau.

"Nous n'avons vu aucune énergie se dissiper, ce qui signifie que c'était un supraconducteur, ", dit Jarillo-Herrero. "Nous devons donner crédit aux théoriciens, ils ont pris le bon angle."

Il ajoute que la cause exacte de la supraconductivité de la structure, qu'elle soit due à sa symétrie, comme les théoriciens l'ont proposé, ou pas, reste à voir, and is something that the researchers plan to test in future experiments.

"For the moment we have a correlation, not a causation, " he says. "Now at least we have a path to possibly explore a large family of new superconductors based on this symmetry idea."

"The biggest bang"

In exploring their new trilayer structure, the team found they could control its superconductivity in two ways. With their previous bilayer design, the researchers could tune its superconductivity by applying an external gate voltage to change the number of electrons flowing through the material. As they dialed the gate voltage up and down, they measured the critical temperature at which the material stopped dissipating energy and became superconductive. De cette façon, the team was able to tune bilayer graphene's superconductivity on and off, similar to a transistor.

The team used the same method to tune trilayer graphene. They also discovered a second way to control the material's superconductivity that has not been possible in bilayer graphene and other twisted structures. By using an additional electrode, the researchers could apply an electric field to change the distribution of electrons between the structure's three layers, without changing the structure's overall electron density.

"These two independent knobs now give us a lot of information about the conditions where superconductivity appears, which can provide insight into the key physics critical to the formation of such an unusual superconducting state, " Park says.

Using both methods to tune the trilayer structure, the team observed superconductivity under a range of conditions, including at a relatively high critical temperature of 3 kelvins, even when the material had a low density of electrons. En comparaison, aluminium, which is being explored as a superconductor for quantum computing, has a much higher density of electrons and only becomes superconductive at about 1 kelvin.

"We found magic-angle trilayer graphene can be the strongest coupled superconductor, meaning it superconducts at a relatively high temperature, given how few electrons it can have, " Jarillo-Herrero says. "It gives the biggest bang for your buck."

The researchers plan to fabricate twisted graphene structures with more than three layers to see whether such configurations, with higher electron densities, can exhibit superconductivity at higher temperatures, even approaching room temperature.

"If we could make these structures as they are now, at industrial scale, we could make superconducting bits for quantum computation, or cryogenic superconductive electronics, photodétecteurs, etc. We haven't figured out how to make billions of these at a time, " Jarillo-Herrrero says.

"Our main goal is to figure out the fundamental nature of what underlies strongly coupled superconductivity, " Park says. "Trilayer graphene is not only the strongest-coupled superconductor ever found, but also the most tunable. With that tunability we can really explore superconductivity, everywhere in the phase space."