Depuis la première fabrication réussie d'une structure bidimensionnelle d'atomes de carbone il y a environ 20 ans, le graphène fascine les scientifiques. Il y a quelques années, des chercheurs ont découvert que deux couches de graphène, légèrement tordues l'une contre l'autre, pouvaient conduire le courant électrique sans perte. Ces dernières années, cette découverte a incité les scientifiques à explorer plus en détail ces matériaux en couches. Un exemple notable récent est le graphène tricouche torsadé à symétrie miroir, où trois couches de graphène sont empilées avec des angles de torsion alternés. Il s'agit du premier système moiré qui peut à la fois être réglé efficacement avec un champ électrique perpendiculaire et dont il a été démontré expérimentalement qu'il présente une supraconductivité robuste, aux côtés de diverses autres phases. "Cela fait du graphène tricouche une plate-forme passionnante pour la physique complexe à plusieurs corps, mais la nature des isolants, des semi-métaux et de la supraconductivité induits par l'interaction observés reste inconnue", déclare Mathias Scheurer du Département de physique théorique de l'Université de Innsbruck.

Dans un article publié dans Physical Review X, une équipe dirigée par Scheurer a étudié numériquement et analytiquement le diagramme de phase de ce système pour différents nombres d'électrons par cellule unitaire de moiré et en fonction du champ électrique. "Il s'agit d'un problème très difficile car le système possède à la fois des bandes plates et hautement dispersives", explique le physicien théoricien. "Néanmoins, nous avons réussi à montrer que l'état fondamental du système en l'absence de champ se découple en un produit de l'état fondamental du graphène et de l'état fondamental du graphène bicouche torsadé", une propriété qui a ensuite été confirmée par des expériences.

Leurs résultats établissent en outre la dominance des phases isolantes et semi-métalliques en présence d'un champ électrique qui sont propres au système tricouche, c'est-à-dire qui ne sont pas réalisées dans le graphène bicouche torsadé. "Nous pouvons utiliser notre diagramme de phase résultant pour les états normaux corrélés afin de contraindre la forme du supraconducteur", explique Scheurer. "Entre autres aspects, les deux états candidats supraconducteurs que nous obtenons sont cohérents avec la stabilité inattendue du supraconducteur dans le champ magnétique observée dans l'expérience."

La pertinence des résultats pour la physique du graphène tricouche torsadé est encore attestée par une collaboration ultérieure avec le groupe d'Abhay Pasupathy de l'université de Columbia. Dans un article récent dans Science , ils rapportent des données de microscopie à effet tunnel (STM) sur ce système. "Nous montrons que les spectres d'effet tunnel mesurés présentent des effets d'interaction significatifs qui peuvent être capturés qualitativement par les données numériques de notre travail", explique Mathias Scheurer. + Explorer plus loin

Nematicity est une nouvelle pièce du puzzle du diagramme de phase du graphène double bicouche