Les supraconducteurs sont des matériaux qui peuvent conduire l’électricité sans résistance lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température critique. Ils ont des applications dans plusieurs domaines, notamment l’imagerie par résonance magnétique, les accélérateurs de particules, l’énergie électrique et l’informatique quantique. Cependant, leur utilisation généralisée est limitée par la nécessité de températures extrêmement basses.
Les matériaux à base de graphène sont prometteurs pour les supraconducteurs en raison de leurs propriétés uniques telles que la transparence optique, la résistance mécanique et la flexibilité. Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone (C) disposés dans une structure en nid d'abeille bidimensionnelle. Parmi ces matériaux, le composé graphène-calcium (C6 CaC6 ) présente la température critique la plus élevée. Dans ce composé, une couche de calcium est introduite entre deux couches de graphène dans un processus appelé intercalation.
Bien que ce matériau ait déjà des températures critiques élevées, certaines études ont montré que les températures critiques et donc la supraconductivité peuvent être encore améliorées grâce à l'introduction de Ca haute densité.
C6 CaC6 est préparé en faisant croître deux couches de graphène sur un substrat en carbure de silicium (SiC), suivi d'une exposition à des atomes de Ca, ce qui conduit à une intercalation de Ca entre les couches. Cependant, on s'attend à ce que l'intercalation avec du Ca haute densité puisse conduire à des variations de la température critique du C6 CaC6 .
En particulier, cela peut conduire à la formation d’une couche métallique à l’interface de la couche inférieure de graphène et du SiC, phénomène appelé épitaxie de confinement. Cette couche peut influencer de manière significative les propriétés électroniques de la couche supérieure de graphène, par exemple en donnant naissance à une singularité de Van Hove (VHS), qui peut améliorer la supraconductivité du C6. CaC6 . Cependant, la validation expérimentale de ce phénomène fait encore défaut.
Dans une étude récente, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur adjoint Satoru Ichinokura du département de physique de l'Institut de technologie de Tokyo, a étudié expérimentalement l'impact de l'introduction du Ca à haute densité dans le C6. CaC6 .
"Nous avons révélé expérimentalement que l'introduction de Ca haute densité induit une intercalation significative à l'interface conduisant à l'épitaxie de confinement d'une couche de Ca sous C6 CaC6 , qui donne naissance au VHS et améliore sa supraconductivité", explique Ichinokura. Leur étude a été publiée en ligne dans ACS Nano le 13 mai 2024.
Les chercheurs ont préparé différents échantillons de C6 CaC6 , avec différentes densités de Ca, et étudié leurs propriétés électroniques. Les résultats ont révélé que la couche métallique interfaciale formée entre la couche inférieure de graphène et le SiC, à des densités élevées de Ca, conduit effectivement à l'émergence de VHS.
De plus, les chercheurs ont également comparé les propriétés du C6 CaC6 structures avec et sans la couche interfaciale de Ca, révélant que la formation de cette couche entraîne une augmentation de la température critique à travers le VHS. Ils ont en outre découvert que le VHS augmente les températures critiques grâce à deux mécanismes.
La première est une interaction attractive indirecte entre les électrons et les phonons (particules associées aux vibrations) et la seconde est une interaction attractive directe entre les électrons et les trous (espaces vacants laissés par les électrons en mouvement). Ces résultats suggèrent qu'en introduisant du Ca haute densité, la supraconductivité peut être obtenue à des températures plus élevées, élargissant potentiellement l'applicabilité du C6 CaC6 dans divers domaines.
Soulignant les applications potentielles de ce matériau, Ichinokura remarque :« Le composé graphène-calcium, étant un matériau de faible dimension composé d'éléments communs, contribuera à l'intégration et à la vulgarisation des ordinateurs quantiques.
"Grâce à l'informatique quantique, des calculs à grande échelle et à grande vitesse de systèmes complexes seront possibles, permettant l'optimisation des systèmes énergétiques vers la neutralité carbone et améliorant considérablement l'efficacité du développement de catalyseurs et de la découverte de médicaments grâce à la simulation directe de réactions atomiques et moléculaires."
Dans l'ensemble, les résultats expérimentaux de cette étude pourraient conduire à la production de C6 CaC6 supraconducteurs avec des propriétés améliorées et une large applicabilité dans des domaines critiques.
Plus d'informations : Satoru Ichinokura et al, Singularité de Van Hove et supraconductivité améliorée dans le graphène bicouche intercalé de Ca induit par épitaxie de confinement, ACS Nano (2024). DOI :10.1021/acsnano.4c01757
Informations sur le journal : ACS Nano
Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo
