Les chercheurs du MIT mélangent la twistronique et les quasi-cristaux, révélant une nouvelle méthode pour comprendre la supraconductivité et des applications prometteuses en électronique.
Une nouvelle plateforme flexible pourrait produire des matériaux énigmatiques et conduire à de nouvelles études de phénomènes exotiques.
Dans le cadre de recherches qui pourraient relancer l’intérêt pour une classe énigmatique de matériaux connus sous le nom de quasicristaux, MIT les scientifiques et leurs collègues ont découvert un moyen relativement simple et flexible de créer de nouvelles versions atomiquement minces pouvant être adaptées à des phénomènes importants. Dans un travail rapporté dans un numéro récent de la revue Natureils décrivent avoir fait exactement cela pour que les matériaux présentent une supraconductivité et bien plus encore.
La recherche introduit une nouvelle plate-forme non seulement pour en apprendre davantage sur les quasi-cristaux, mais également pour explorer des phénomènes exotiques qui peuvent être difficiles à étudier mais qui pourraient conduire à des applications importantes et à une nouvelle physique. Par exemple, une meilleure compréhension de la supraconductivité, dans laquelle les électrons traversent un matériau sans résistance, pourrait permettre la mise au point de dispositifs électroniques beaucoup plus efficaces.
Image d’un quasi-cristal moiré (colonne centrale) créé par trois feuilles superposées de graphène atomiquement mince. Crédit : Sergio C. de la Barrera/Université de Toronto
Twistronics et sa connexion aux quasi-cristaux
Le travail rassemble deux domaines jusqu’alors non connectés : les quasi-cristaux et la twistronique. Ce dernier est la spécialité de Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT et auteur correspondant du nouveau Nature papier, dont la percée du graphène sous « l’angle magique » en 2018 a relancé le domaine.
« C’est vraiment extraordinaire que le domaine de la twistronique continue d’établir des liens inattendus avec d’autres domaines de la physique et de la chimie, en l’occurrence le monde magnifique et exotique des cristaux quasipériodiques », déclare Jarillo-Herrero, également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT et au Laboratoire de recherche en électronique du MIT.
Avancées notables dans Twistronics
Twisttronics implique des couches de matériaux atomiquement minces placées les unes sur les autres. La rotation ou la torsion d’une ou plusieurs couches selon un léger angle crée un motif unique appelé super-réseau moiré. Et un motif de moiré, à son tour, a un impact sur le comportement des électrons. « Cela modifie le spectre des niveaux d’énergie disponibles pour les électrons et peut créer les conditions propices à l’apparition de phénomènes intéressants », explique Sergio C. de la Barrera, l’un des quatre co-premiers auteurs de l’article récent. De la Barrera, qui a mené les travaux alors qu’il était postdoctoral au MIT, est maintenant professeur adjoint à l’Université de Toronto.
Aviram Uri (à gauche) et Sergio C. de la Barrera font partie d’une équipe qui a réussi à obtenir la supraconductivité à partir d’une classe énigmatique de matériaux appelés quasi-cristaux. Uri est Pappalardo et postdoctorant au VATAT au MIT ; de la Barrera est professeur adjoint à l’Université de Toronto. Crédit : Eva Cheung/Université de Toronto
Un système de moiré peut également être adapté à différents comportements en modifiant le nombre d’électrons ajoutés au système. En conséquence, le domaine de la twistronique a explosé au cours des cinq dernières années, alors que des chercheurs du monde entier l’ont appliqué à la création de nouveaux matériaux quantiques atomiquement minces. Les exemples du seul MIT incluent :
- Transformation d’un matériau moiré connu sous le nom de bicouche torsadée à angle magique graphène en trois appareils électroniques différents – et utiles. (Les scientifiques impliqués dans ces travaux, rapportés en 2021, comprenaient Daniel Rodan-Legrain, co-premier auteur des travaux actuels et postdoctorant en physique au MIT. Ils étaient dirigés par Jarillo-Herrero.)
- Intégrer une nouvelle propriété, la ferroélectricité, à une famille bien connue de semi-conducteurs. (Les scientifiques impliqués dans ces travaux, rapportés en 2021, étaient dirigés par Jarillo-Herrero.)
- Prédire de nouveaux phénomènes magnétiques exotiques, avec une « recette » pour les réaliser. (Les scientifiques impliqués dans ces travaux, rapportés en 2023, comprenaient le professeur de physique du MIT, Liang Fu, et Nisarga Paul, un étudiant diplômé du MIT en physique. Fu et Paul sont tous deux co-auteurs de l’article actuel.)
Les quasi-cristaux dévoilés
Dans le cadre des travaux en cours, les chercheurs bricolaient un système de moiré composé de trois feuilles de graphène. Le graphène est composé d’une seule couche d’atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d’abeille. Dans ce cas, l’équipe a superposé trois feuilles de graphène, mais a tordu deux de ces feuilles sous des angles légèrement différents.
À leur grande surprise, le système a créé un quasi-cristal, une classe inhabituelle de matériaux découverts dans les années 1980. Comme leur nom l’indique, les quasi-cristaux se situent quelque part entre un cristal, comme un diamant, qui a une structure répétitive régulière, et un matériau amorphe, comme le verre, « où les atomes sont tous mélangés ou disposés de manière aléatoire », explique de la Barrera. En un mot, les quasi-cristaux « ont des motifs vraiment étranges », explique de la Barrera (voir quelques exemples ici).
Cependant, par rapport aux cristaux et aux matériaux amorphes, on en sait relativement peu sur les quasi-cristaux. C’est en partie parce qu’ils sont difficiles à réaliser. « Cela ne veut pas dire qu’ils ne sont pas intéressants ; cela signifie simplement que nous n’y avons pas prêté autant d’attention, notamment à leurs propriétés électroniques », explique de la Barrera. La nouvelle plateforme, relativement simple, pourrait changer la donne.
Autres connaissances et collaborations
Parce que les chercheurs originaux n’étaient pas des experts en quasi-cristaux, ils ont contacté quelqu’un qui l’est : le professeur Ron Lifshitz de l’Université de Tel Aviv. Aviram Uri, l’un des co-premiers auteurs de l’article et boursier postdoctoral du MIT Pappalardo et du VATAT, était un étudiant de Lifshitz pendant ses études de premier cycle à Tel Aviv et connaissait ses travaux sur les quasi-cristaux. Lifshitz, qui est également l’auteur du Nature papier, a aidé l’équipe à mieux comprendre ce qu’elle regardait, ce qu’elle appelle un quasi-cristal moiré.
Les physiciens ont ensuite réglé un quasi-cristal moiré pour le rendre supraconducteur, ou transmettre le courant sans aucune résistance en dessous d’une certaine température basse. C’est important car les dispositifs supraconducteurs pourraient transférer le courant à travers les appareils électroniques beaucoup plus efficacement qu’aujourd’hui, mais le phénomène n’est pas encore entièrement compris dans tous les cas. Le nouveau système de quasi-cristaux moirés apporte une nouvelle façon de l’étudier.
L’équipe a également trouvé des preuves de bris de symétrie, un autre phénomène qui « nous indique que les électrons interagissent très fortement les uns avec les autres. Et en tant que physiciens et scientifiques des matériaux quantiques, nous voulons que nos électrons interagissent les uns avec les autres, car c’est là que se produit la physique exotique », explique de la Barrera.
En fin de compte, « grâce à des discussions à travers les continents, nous avons pu déchiffrer cette chose, et maintenant nous pensons avoir une bonne idée de ce qui se passe », déclare Uri, tout en soulignant que « nous ne comprenons pas encore complètement le système. . Il reste encore pas mal de mystères. »
La meilleure partie de la recherche a été de « résoudre l’énigme de ce que nous avions réellement créé », explique de la Barrera. « Nous nous attendions à (quelque chose d’autre), donc ce fut une très agréable surprise lorsque nous avons réalisé que nous regardions en réalité quelque chose de très nouveau et différent. »
«C’est la même réponse pour moi», dit Uri.
Auteurs supplémentaires du Nature l’article est Raymond C. Ashoori, professeur de physique au MIT ; Mallika T. Randeria, chercheuse au MIT Lincoln Laboratory qui a mené les travaux en tant que Pappalardo Fellow au MIT et est un autre co-premier auteur de l’article ; Trithep Devakul, professeur adjoint à l’Université de Stanford qui a mené les travaux en tant que postdoctorant au MIT ; Philip JD Crowley, postdoctorant à l’Université Harvard ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
Ce travail a été financé par le Bureau de recherche de l’armée américaine, la National Science Foundation des États-Unis, la Fondation Gordon et Betty Moore, une bourse MIT Pappalardo, une bourse postdoctorale exceptionnelle de la TVAT en science et technologie quantiques, la JSPS KAKENHI et la Fondation scientifique israélienne.
