Des chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi à transformer des flocons de graphène spécialement préparés en isolants ou en supraconducteurs en appliquant une tension électrique. Cette technique fonctionne même localement, ce qui signifie que dans les mêmes régions de flocons de graphène avec des propriétés physiques complètement différentes peuvent être réalisées côte à côte.

La production de composants électroniques modernes nécessite des matériaux aux propriétés très diverses. Il y a des isolateurs, par exemple, qui ne conduisent pas le courant électrique, et des supraconducteurs qui le transportent sans aucune perte. Pour obtenir une fonctionnalité particulière d'un composant, il faut généralement assembler plusieurs de ces matériaux. Ce n'est souvent pas facile, en particulier lorsqu'il s'agit de nanostructures largement utilisées aujourd'hui. Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich dirigée par Klaus Ensslin et Thomas Ihn au Laboratoire de physique du solide est aujourd'hui parvenue à faire en sorte qu'un matériau se comporte alternativement comme un isolant ou comme un supraconducteur - ou même comme les deux à différents endroits dans le même matériau - en appliquant simplement une tension électrique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature Nanotechnologie . Le travail a été soutenu par le Centre national de compétence en recherche QSIT (Quantum Science and Technology).

Graphène avec un angle magique

Le matériau utilisé par Ensslin et ses collègues porte le nom quelque peu encombrant de "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene". En réalité, ce nom cache quelque chose d'assez simple et connu, à savoir le carbone, bien que sous une forme particulière et avec une torsion particulière. Le point de départ du matériau sont des flocons de graphène, qui sont des couches de carbone qui n'ont qu'un atome d'épaisseur. Les chercheurs ont superposé deux de ces couches de manière à ce que leurs axes cristallins ne soient pas parallèles, mais faites plutôt un "angle magique" d'exactement 1,06 degrés. "C'est assez délicat, et nous devons également contrôler avec précision la température des flocons pendant la production. Par conséquent, ça se passe souvent mal, " explique Peter Rickhaus, qui a participé aux expériences en tant que post-doctorant.

Dans vingt pour cent des tentatives, cependant, Ça marche, et les réseaux cristallins atomiques des flocons de graphène créent alors un motif dit moiré dans lequel les électrons du matériau se comportent différemment que dans le graphène ordinaire. Les motifs moirés sont familiers de la télévision, par exemple, où l'interaction entre un vêtement à motifs et les lignes de balayage de l'image télévisée peut conduire à des effets optiques intéressants. En plus des flocons de graphène à angle magique, les chercheurs attachent plusieurs électrodes supplémentaires qu'ils peuvent utiliser pour appliquer une tension électrique au matériau. Lorsqu'ils refroidissent ensuite le tout à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu, quelque chose de remarquable se produit. En fonction de la tension appliquée, les flocons de graphène se comportent de deux manières complètement opposées :soit en tant que supraconducteur, soit en tant qu'isolant. Cette supraconductivité commutable a déjà été démontrée en 2018 au Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis. Aujourd'hui encore, seuls quelques groupes dans le monde sont capables de produire de tels échantillons.

Isolant et supraconducteur dans le même matériau

Ensslin et ses collègues vont maintenant plus loin. En appliquant différentes tensions aux électrodes individuelles, ils transforment le graphène de l'angle magique en un isolant en un seul endroit, mais à quelques centaines de nanomètres de côté, il devient supraconducteur.

"Quand on a vu ça, nous avons évidemment d'abord essayé de réaliser une jonction Josephson, " dit Fokko de Vries, qui est également post-doctorant au laboratoire de l'Ensslins. Dans de telles jonctions, deux supraconducteurs sont séparés par une couche isolante ultrafine. De cette façon, le courant ne peut pas circuler directement entre les deux supraconducteurs, mais doit plutôt tunneler mécaniquement le quantum à travers l'isolant. Cette, à son tour, fait varier la conductivité du contact en fonction du courant de façon caractéristique, selon que l'on utilise du courant continu ou alternatif.

Applications possibles dans les technologies quantiques

Les chercheurs de l'ETH ont réussi à produire une jonction Josephson à l'intérieur des flocons de graphène tordus par l'angle magique en utilisant différentes tensions appliquées aux trois électrodes, et aussi de mesurer ses propriétés. "Maintenant que ça marche aussi, nous pouvons nous essayer à des appareils plus complexes tels que les SQUID, " dit de Vries. Dans les SQUID (" supraconducting quantum interférence device "), deux jonctions Josephson sont connectées pour former un anneau. Les applications pratiques de tels dispositifs incluent les mesures de champs magnétiques minuscules, mais aussi des technologies modernes telles que les ordinateurs quantiques. Pour les utilisations possibles dans les ordinateurs quantiques, un aspect intéressant est qu'avec l'aide des électrodes, les flocons de graphène peuvent être transformés non seulement en isolants et en supraconducteurs, mais aussi en aimants ou isolants dits topologiques, dans lequel le courant ne peut circuler que dans une direction le long du bord du matériau. Cela pourrait être exploité pour réaliser différents types de bits quantiques (qubits) dans un seul appareil.

Un clavier pour les matériaux

"Jusque là, cependant, ce n'est que spéculation, " dit Ensslin. il est enthousiasmé par les possibilités qui découlent de la commande électrique, même maintenant. "Avec les électrodes, nous pouvons pratiquement jouer du piano sur le graphène. les physiciens espèrent que cela les aidera à acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes détaillés qui entraînent la supraconductivité dans le graphène à angle magique.