En 2018, Les physiciens ont montré que quelque chose d'intéressant se produit lorsque deux feuilles de graphène, un nanomatériau, sont placées l'une sur l'autre. Lorsqu'une couche est tournée à un "angle magique" d'environ 1,1 degrés par rapport à l'autre, le système devient un supraconducteur, ce qui signifie qu'il conduit l'électricité avec une résistance nulle. Encore plus excitant, il y avait des preuves qu'il s'agissait d'une forme non conventionnelle de supraconductivité - un type qui peut se produire à des températures bien au-dessus du zéro absolu, où fonctionnent la plupart des matériaux supraconducteurs.

Depuis la découverte initiale, les chercheurs ont travaillé pour comprendre cet état exotique de la matière. Maintenant, une équipe de recherche dirigée par des physiciens de l'Université Brown a trouvé un nouveau moyen de sonder avec précision la nature de l'état supraconducteur dans le graphène à angle magique. La technique permet aux chercheurs de manipuler la force répulsive entre les élections - l'interaction de Coulomb - dans le système. Dans une étude publiée dans la revue Science , les chercheurs montrent que la supraconductivité à angle magique devient plus robuste lorsque l'interaction de Coulomb est réduite, une information importante pour comprendre le fonctionnement de ce supraconducteur.

"C'est la première fois que quelqu'un démontre que l'on peut manipuler directement la force de l'interaction de Coulomb dans un système électronique fortement corrélé, " dit Jia Li, professeur adjoint de physique à Brown et auteur correspondant de la recherche. "La supraconductivité est entraînée par les interactions entre les électrons, alors quand nous pouvons manipuler cette interaction, cela nous dit quelque chose de vraiment important à propos de ce système. Dans ce cas, démontrer qu'une interaction de Coulomb plus faible renforce la supraconductivité fournit une nouvelle contrainte théorique importante sur ce système."

La découverte originale de 2018 d'une supraconductivité potentiellement non conventionnelle dans le graphène à angle magique a suscité un intérêt considérable dans la communauté des physiciens. Le graphène, des feuilles de carbone d'une épaisseur d'un atome, est un matériau relativement simple. S'il supportait effectivement la supraconductivité non conventionnelle, la simplicité du graphène en ferait un endroit idéal pour explorer le fonctionnement du phénomène, dit Li.

« Les supraconducteurs non conventionnels sont passionnants en raison de leur température de transition élevée et de leurs applications potentielles dans les ordinateurs quantiques, réseaux électriques sans perte et ailleurs, " dit Li. "Mais nous n'avons toujours pas de théorie microscopique sur la façon dont ils fonctionnent. C'est pourquoi tout le monde était si excité quand quelque chose qui ressemblait à de la supraconductivité non conventionnelle se produisait dans le graphène à angle magique. Sa composition chimique simple et son ajustement de l'angle de torsion promettent une image plus claire."

La supraconductivité conventionnelle a été expliquée pour la première fois dans les années 1950 par un groupe de physiciens qui comprenait le professeur Brown de longue date et lauréat du prix Nobel Leon Cooper. Ils ont montré que les électrons dans un supraconducteur déforment le réseau atomique d'un matériau de manière à ce que les électrons forment des duos quantiques appelés paires de Cooper, qui peuvent se déplacer à travers ce matériau sans entrave. Dans les supraconducteurs non conventionnels, les paires d'électrons se forment d'une manière que l'on pense légèrement différente du mécanisme de Cooper, mais les scientifiques ne savent pas encore quel est ce mécanisme.

Pour cette nouvelle étude, Li et ses collègues ont trouvé un moyen d'utiliser l'interaction de Coulomb pour sonder l'appariement des électrons dans le graphène à angle magique. L'appariement de Cooper verrouille les électrons ensemble à une distance spécifique les uns des autres. Cet appariement est en concurrence avec l'interaction de Coulomb, qui essaie de séparer les électrons. S'il était possible d'affaiblir l'interaction de Coulomb, Les paires de Cooper devraient en théorie devenir plus fortement couplées, rendre l'état supraconducteur plus robuste. Cela fournirait des indices pour savoir si le mécanisme de Cooper se produisait dans le système.

Pour manipuler l'interaction de Coulomb pour cette étude, les chercheurs ont construit un appareil qui rapproche une feuille de graphène à angle magique d'un autre type de feuille de graphène appelé bicouche de Bernal. Parce que les deux couches sont si fines et si proches l'une de l'autre, les électrons de l'échantillon à angle magique deviennent très légèrement attirés par les régions chargées positivement de la couche de Bernal. Cette attraction entre les couches affaiblit efficacement l'interaction de Coulomb ressentie entre les électrons dans l'échantillon à angle magique, un phénomène que les chercheurs appellent le dépistage de Coulomb.

Un attribut de la couche de Bernal l'a rendu particulièrement utile dans cette recherche. La couche de Bernal peut être commutée entre un conducteur et un isolant en modifiant une tension appliquée perpendiculairement à la couche. L'effet d'écran Coulomb ne se produit que lorsque la couche de Bernal est en phase conductrice. Ainsi, en basculant entre conducteur et isolant et en observant les changements correspondants de la supraconductivité, les chercheurs pouvaient s'assurer que ce qu'ils voyaient était dû au dépistage de Coulomb.

Les travaux ont montré que la phase supraconductrice devenait plus forte lorsque l'interaction de Coulomb était affaiblie. La température à laquelle la phase s'est dégradée est devenue plus élevée, et était plus robuste aux champs magnétiques, qui perturbent les supraconducteurs.

"Voir cet effet Coulomb dans ce matériau était un peu surprenant, " a déclaré Li. "Nous nous attendrions à ce que cela se produise dans un supraconducteur conventionnel, pourtant, de nombreuses preuves suggèrent que le graphène à angle magique est un supraconducteur non conventionnel. Ainsi, toute théorie microscopique de cette phase supraconductrice devra prendre en compte cette information."

Li a dit que les résultats sont à l'honneur de Xiaoxue Liu, chercheur postdoctoral à Brown et auteur principal de l'étude, qui a construit l'appareil qui a rendu les résultats possibles.

"Personne n'a jamais construit quelque chose comme ça avant, " dit Li. " Tout devait être incroyablement précis jusqu'à l'échelle nanométrique, de l'angle de torsion du graphène à l'espacement entre les couches. Xiaoxue a vraiment fait un travail incroyable. Nous avons également bénéficié des conseils théoriques d'Oskar Vafek, un physicien théoricien de la Florida State University."

Bien que cette étude fournisse une nouvelle information critique sur le graphène à angle magique, il y a beaucoup plus que la technique pourrait révéler. Par exemple, cette première étude n'a examiné qu'une partie de l'espace des phases pour la supraconductivité à angle magique. C'est possible, Li dit, que le comportement de la phase supraconductrice varie dans différentes parties de l'espace des phases, et d'autres recherches le dévoileront.

"La capacité de filtrer l'interaction de Coulomb nous donne un nouveau bouton expérimental à tourner pour aider à comprendre ces phénomènes quantiques, " dit Li. " Cette méthode peut être utilisée avec n'importe quel matériau bidimensionnel, Je pense donc que cette méthode sera utile pour aider à concevoir de nouveaux types de matériaux."