Le graphène à angle magique est un matériau multifonctionnel incroyable, facilement réglé parmi un ensemble diversifié de phases quantiques en modifiant sa température, son champ magnétique et sa densité électronique. Ici, les chercheurs ont découvert les signatures essentielles de sa phase supraconductrice non conventionnelle (jaune), qui conduit l'électricité avec une résistance nulle et une perte d'énergie nulle, et son régime de pseudogap jusque-là inconnu (bleu), un précurseur apparemment nécessaire de la supraconductivité. Crédit :Laboratoire Yazdani, Université de Princeton
La découverte en 2018 de la supraconductivité dans deux couches de graphène d'un seul atome d'épaisseur empilées à un angle précis de 1,1 degré (appelé graphène bicouche torsadé à angle «magique») a été une grande surprise pour la communauté scientifique. Depuis la découverte, les physiciens se sont demandé si la supraconductivité du graphène magique pouvait être comprise à l'aide de la théorie existante, ou si des approches fondamentalement nouvelles étaient nécessaires, comme celles qui sont rassemblées pour comprendre le mystérieux composé céramique supraconducteur à haute température. Maintenant, comme le rapporte la revue Nature , des chercheurs de Princeton ont tranché ce débat en montrant une ressemblance troublante entre la supraconductivité du graphène magique et celle des supraconducteurs à haute température. Le graphène magique pourrait détenir la clé pour débloquer de nouveaux mécanismes de supraconductivité, y compris la supraconductivité à haute température.
Ali Yazdani, professeur de physique de la promotion 1909 et directeur du Center for Complex Materials de l'Université de Princeton, a dirigé la recherche. Lui et son équipe ont étudié de nombreux types de supraconducteurs différents au fil des ans et ont récemment tourné leur attention vers le graphène bicouche magique.
"Certains ont fait valoir que le graphène bicouche magique est en fait un supraconducteur ordinaire déguisé dans un matériau extraordinaire", a déclaré Yazdani, "mais lorsque nous l'avons examiné au microscope, il présente de nombreuses caractéristiques des supraconducteurs cuprates à haute température. C'est un moment de déjà vu."
La supraconductivité est l'un des phénomènes les plus intrigants de la nature. C'est un état dans lequel les électrons circulent librement sans aucune résistance. Les électrons sont des particules subatomiques qui portent des charges électriques négatives; ils sont essentiels à notre mode de vie car ils alimentent nos appareils électroniques de tous les jours. Dans des circonstances normales, les électrons se comportent de manière erratique, sautent et se bousculent les uns contre les autres d'une manière qui est finalement inefficace et gaspille de l'énergie.
Mais sous supraconductivité, les électrons s'apparient soudainement et commencent à circuler à l'unisson, comme une onde. Dans cet état, non seulement les électrons ne perdent pas d'énergie, mais ils présentent également de nombreuses nouvelles propriétés quantiques. Ces propriétés ont permis un certain nombre d'applications pratiques, notamment des aimants pour les IRM et les accélérateurs de particules, ainsi que la fabrication de bits quantiques utilisés pour construire des ordinateurs quantiques. La supraconductivité a été découverte pour la première fois à des températures extrêmement basses dans des éléments tels que l'aluminium et le niobium. Ces dernières années, il a été trouvé proche des températures ambiantes sous une pression extraordinairement élevée, ainsi qu'à des températures juste au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide (77 degrés Kelvin) dans les composés céramiques.
Mais tous les supraconducteurs ne sont pas créés égaux.
Les supraconducteurs constitués d'éléments purs comme l'aluminium sont ce que les chercheurs appellent conventionnels. L'état supraconducteur - où les électrons s'apparient - est expliqué par ce qu'on appelle la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). C'est la description standard de la supraconductivité qui existe depuis la fin des années 1950. Mais à partir de la fin des années 1980, de nouveaux supraconducteurs ont été découverts qui ne correspondaient pas à la théorie BCS. Parmi ces supraconducteurs "non conventionnels", les plus remarquables sont les oxydes de cuivre céramiques (appelés cuprates) qui sont restés une énigme au cours des trente dernières années.
La découverte originale de la supraconductivité dans le graphène bicouche magique par Pablo Jarillo-Herrero et son équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a montré que le matériau commence d'abord comme isolant mais, avec un petit ajout de porteurs de charge, il devient supraconducteur. L'émergence de la supraconductivité à partir d'un isolant, plutôt que d'un métal, est l'une des caractéristiques de nombreux supraconducteurs non conventionnels, dont le plus célèbre est les cuprates.
"Ils soupçonnaient que la supraconductivité pouvait être non conventionnelle, comme les cuprates, mais ils n'avaient malheureusement aucune mesure expérimentale spécifique de l'état supraconducteur pour étayer cette conclusion", a déclaré Myungchul Oh, associé de recherche postdoctoral et l'un des principaux co-auteurs de le papier.
Pour étudier les propriétés supraconductrices du graphène bicouche magique, Oh et ses collègues ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour visualiser le monde infiniment petit et complexe des électrons. Cet appareil repose sur un nouveau phénomène appelé "effet tunnel quantique", où les électrons sont acheminés entre la pointe métallique pointue du microscope et l'échantillon. Le microscope utilise ce courant tunnel plutôt que la lumière pour voir le monde des électrons à l'échelle atomique.
"STM est un outil parfait pour faire ces types d'expériences", a déclaré Kevin Nuckolls, étudiant diplômé en physique et l'un des principaux co-auteurs de l'article. "Le STM peut effectuer de nombreuses mesures différentes. Il peut accéder à des variables physiques qui sont généralement inaccessibles aux autres [techniques expérimentales]."
Lorsque l'équipe a analysé les données, elle a remarqué deux caractéristiques majeures, ou "signatures", qui se sont démarquées, les informant que l'échantillon de graphène bicouche magique présentait une supraconductivité non conventionnelle. La première signature était que les électrons appariés supraconducteurs ont un moment cinétique fini, un comportement analogue à celui trouvé dans les cuprates à haute température il y a vingt ans. Lorsque des paires se forment dans un supraconducteur conventionnel, elles n'ont pas de moment cinétique net, d'une manière analogue à un électron lié à l'atome d'hydrogène dans l'orbitale s de l'hydrogène.
Le STM fonctionne en tunnelisant les électrons dans et hors de l'échantillon. Dans un supraconducteur, où tous les électrons sont appariés, le courant entre l'échantillon et la pointe du STM n'est possible que lorsque les paires du supraconducteur sont séparées. "Il faut de l'énergie pour séparer la paire, et la dépendance énergétique de ce courant dépend de la nature de l'appariement. Dans le graphène magique, nous avons trouvé la dépendance énergétique attendue pour un appariement à impulsion finie", a déclaré Yazdani. "Cette découverte limite fortement le mécanisme microscopique d'appariement dans le graphène magique."
L'équipe de Princeton a également découvert comment le graphène bicouche magique se comporte lorsque l'état supraconducteur est désactivé en augmentant la température ou en appliquant un champ magnétique. Dans les supraconducteurs conventionnels, le comportement du matériau est le même que celui d'un métal normal lorsque la supraconductivité est tuée - les électrons se désapparient. Cependant, dans les supraconducteurs non conventionnels, les électrons semblent conserver une certaine corrélation même lorsqu'ils ne sont pas supraconducteurs, une situation qui se manifeste lorsqu'il existe à peu près un seuil d'énergie pour éliminer les électrons de l'échantillon. Les physiciens appellent cette énergie de seuil un "pseudogap", un comportement trouvé dans l'état non supraconducteur de nombreux supraconducteurs non conventionnels. Son origine est un mystère depuis plus de vingt ans.
"Une possibilité est que les électrons soient encore quelque peu appariés même si l'échantillon n'est pas supraconducteur", a déclaré Nuckolls. "Un tel état de pseudogap est comme un supraconducteur défaillant."
L'autre possibilité, notée dans la Nature papier, est qu'une autre forme d'état électronique collectif, qui est responsable du pseudogap, doit d'abord se former avant que la supraconductivité puisse se produire.
"De toute façon, la ressemblance d'une signature expérimentale d'un peusdogap avec les cuprates ainsi que l'appariement à impulsion finie ne peut pas être une coïncidence", a déclaré Yazdani. "Ces problèmes semblent très liés."
Les recherches futures, a déclaré Oh, consisteront à essayer de comprendre ce qui provoque l'appariement des électrons dans la supraconductivité non conventionnelle, un phénomène qui continue de vexer les physiciens. La théorie BCS repose sur une faible interaction entre les électrons, leur appariement étant rendu possible en raison de leur interaction mutuelle avec la vibration sous-jacente des ions. L'appariement des électrons dans les supraconducteurs non conventionnels, cependant, est souvent beaucoup plus fort que dans les métaux simples, mais sa cause - la "colle" qui les lie ensemble - n'est actuellement pas connue.
"J'espère que nos recherches aideront la communauté des physiciens à mieux comprendre les mécanismes de la supraconductivité non conventionnelle", a déclaré Oh. "Nous espérons en outre que nos recherches motiveront les physiciens expérimentateurs à travailler ensemble pour découvrir la nature de ce phénomène."
L'étude, "Evidence for Unconventional Superconductivity in Twisted Bilayer Graphene", a été publiée le 20 octobre 2021 dans la revue Nature . La recherche découvre une interaction électronique surprenante dans le graphène "à angle magique"
