Des piles de graphène, soigneusement torsadées, acquièrent un super pouvoir : elles deviennent supraconductrices. Les scientifiques ont désormais de nouvelles preuves que ce graphène « à angle magique » fait partie d’une classe vraiment étrange de supraconducteurs.
Comme tous les supraconducteurs, les matériaux appelés supraconducteurs non conventionnels transmettent l’électricité sans résistance lorsqu’ils sont refroidis. Mais ces étranges supraconducteurs nécessitent moins de refroidissement que la plupart. Et il n’existe aucune théorie acceptée expliquant comment ils procèdent.
Les indices pourraient désormais provenir de feuilles de carbone 2D appelées graphène, empilées les unes sur les autres et tordues juste ainsi. Une triple couche de graphène torsadé présente une caractéristique clé de nombreux supraconducteurs non conventionnels, rapportent le physicien du MIT Pablo Jarillo-Herrero et ses collègues le 6 novembre. Science.
Cela laisse espérer que les scientifiques pourront analyser le matériau pour mieux comprendre les supraconducteurs non conventionnels et en concevoir de nouveaux adaptés aux applications technologiques, peut-être même fonctionnant à température ambiante.
En 2018, Jarillo-Herrero et ses collègues ont découvert que deux feuilles de graphène, tordues selon un certain « angle magique » l’une par rapport à l’autre, pouvaient conduire l’électricité sans résistance. À l’époque, des signes pointaient déjà vers une supraconductivité non conventionnelle. Mais « il n’y avait aucune preuve », dit Jarillo-Herrero. Aujourd’hui, « les preuves deviennent de plus en plus fortes qu’il s’agit d’un supraconducteur non conventionnel ».
Dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons s’associent de manière à faciliter leur voyage à travers le matériau. Ces paires, appelées paires de Cooper, sont forgées par les interactions des électrons avec les atomes qui composent le réseau cristallin du matériau. Dans les années 1980, les scientifiques ont découvert des supraconducteurs qui ne correspondaient pas à cette explication, comme des matériaux à base de cuivre appelés cuprates. Des paires de Cooper se forment également dans ces supraconducteurs non conventionnels, mais on ne comprend pas vraiment ce qui fait que les électrons se regroupent.
Avec l’aide du graphène à angle magique, les scientifiques espèrent progresser sur une théorie pouvant expliquer les particularités des supraconducteurs non conventionnels. En effet, le graphène à angle magique est plus simple et peut-être plus facile à comprendre que les types de supraconducteurs non conventionnels précédemment étudiés.
« Il s'agit d'un système chimiquement intact. Ce n'est que du carbone », explique le physicien Ali Yazdani de l'Université de Princeton, qui travaille sur le graphène à angle magique mais n'a pas participé aux nouveaux travaux. « Nous avons toujours recherché des matériaux plus simples, qui présentent cette supraconductivité exotique, afin de l'étudier plus attentivement. »
De nombreuses études se sont concentrées sur ce que l'on appelle l'écart supraconducteur. Séparer les paires d’électrons d’un supraconducteur nécessite une certaine quantité d’énergie. L’espace supraconducteur est la quantité d’énergie nécessaire pour libérer un électron et constitue une caractéristique clé d’identification des supraconducteurs.
Dans les supraconducteurs standards, cet espace énergétique est généralement d’une taille constante pour tout électron qui le traverse. Mais dans les supraconducteurs non conventionnels, l’écart peut dépendre de la quantité de mouvement des électrons. Les électrons voyageant dans certaines directions ne connaîtront aucun écart. Ces impulsions sans interruption sont appelées nœuds et constituent une caractéristique de nombreux supraconducteurs non conventionnels.
Pour rechercher cet effet dans le graphène à angle magique, les scientifiques ont fabriqué un sandwich de matériaux. Un isolant appelé nitrure de bore hexagonal était entouré de deux empilements de graphène à angle magique, chacun constitué de trois couches de graphène. Les chercheurs ont mesuré comment les électrons du graphène à angle magique pouvaient traverser l’isolant grâce à un processus appelé tunnel quantique. Cela indiquait la quantité d'énergie nécessaire pour briser les paires d'électrons du supraconducteur, révélant ainsi le fossé énergétique du matériau.
L’espace s’est comporté comme prévu pour un supraconducteur non conventionnel, avec des nœuds dans son espace énergétique. Simultanément, les chercheurs ont montré que le courant traversait le matériau sans résistance. L’ajustement du champ magnétique et de la température a également produit des résultats conformes aux attentes concernant un supraconducteur doté de nœuds.
Dans les supraconducteurs non conventionnels, les nœuds signifient que les électrons se déplaçant dans certaines directions ne participent pas aux paires de Cooper. « Et cette expérience montre de manière très convaincante que c'est ce qui se produit dans ces systèmes de graphène torsadés à angle magique », explique le physicien Allan MacDonald de l'Université du Texas à Austin, qui n'a pas participé à la recherche.
Des études antérieures ont également montré des indices de ce comportement. Le consensus croissant ajoute à l’enthousiasme. « Quand le chœur se réunit, c'est très bien », dit Yazdani. « Quand tout le monde chante le même hymne avec de nombreuses expériences différentes, c'est là que nous progressons. »
