La supraconductivité est un phénomène où certains matériaux peuvent conduire de l'électricité avec une résistance nulle. De toute évidence, cela présente d'énormes avantages technologiques, ce qui fait de la supraconductivité l'un des domaines les plus recherchés au monde.
Mais la supraconductivité n'est pas simple. Prenez, par exemple, l'effet double-dôme. Lorsque les scientifiques tracent où la supraconductivité apparaît dans le matériel car ils changent le nombre d'électrons, les régions supraconductrices du matériau ressemblent parfois à deux « dômes » distincts sur un graphique.
En d'autres termes, le matériau devient supraconducteur, puis s'arrête, puis redevient supraconducteur alors que nous continuons à changer sa densité électronique.
La connexion graphène
La supraconductivité à double dôme a été observée auparavant dans certains matériaux complexes, comme le graphène. Le graphène est essentiellement une feuille d'atomes de carbone juste un atome épais lié ensemble dans un motif en nid d'abeille. Pourtant, il a transformé le domaine de la recherche sur les matériaux quantiques car il présente des effets vraiment étranges.
Par exemple, lorsque nous empilons deux couches de graphène et les tournons à des angles spécifiques, les électrons du graphène se comportent de manière nouvelle et inattendue, créant des phases quantiques comme le magnétisme, l'isolation électrique et, bien sûr, la suprconductivité.
Mais il existe une structure de graphène encore plus complexe qui va plus loin en ajoutant une troisième couche, ce qui rend le système encore plus complexe et accordable: graphène Tricouche à angle magique (Mattg). Avec MATTG, les chercheurs peuvent désormais observer et contrôler un modèle de supraconductivité à double dôme qui n'était auparavant suspecté que dans les systèmes de graphène.
Superconductivité à double dôme dans le graphène torsadé
Dans une nouvelle étude publiée dans Physique de la natureune équipe dirigée par Mitali Banerjee à l'EPFL, avec des partenaires en Suisse, au Royaume-Uni et au Japon, a montré que Mattg permet un contrôle direct du modèle de supraconductivité à double dôme. En empilant soigneusement les couches et en ajustant le champ électrique, les chercheurs pourraient affiner le système et suivre où la supraconductivité est apparue ou disparue car ils variaient le nombre d'électrons.
Leurs expériences, soutenues par la théorie, ont révélé que deux régions supraconductrices distinctes – les dômes – ont augmenté en modifiant progressivement le nombre d'électrons dans Mattg. Le travail met en lumière la façon dont la supraconductivité non conventionnelle peut être créée et contrôlée dans des matériaux 2D.
Les chercheurs ont construit des dispositifs composés de trois couches de graphène, empilés de sorte que le milieu est tordu d'environ 1,55 degrés par rapport aux autres. Ils ont placé la pile entre les couches minces de nitrure de bore hexagonal isolant, puis ont ajouté des électrodes et des portes pour contrôler avec précision la densité des électrons et appliquer un « champ de déplacement » électrique, qui permettait aux chercheurs d'ajuster la façon dont les électrons se déplacent dans le matériau, ce qui permet d'activer ou de désactiver la suprconductivité.
Les scientifiques ont ensuite mesuré comment la résistance de Mattg a changé car ils variaient la densité électronique, le champ magnétique et le courant appliqué à des températures proches du zéro absolu (100 millikelvin). Cela leur a permis de cartographier les régions où la supraconductivité est apparue.
En réglant le champ de déplacement, ils pourraient en outre régler la structure de la bande du matériau (l'ensemble des règles qui détermine comment les électrons peuvent se déplacer et se comporter à l'intérieur du matériau), ce qui les permet de contrôler l'émergence et la disparition du motif à double dôme.
L'équipe a observé que la supraconductivité dans le graphène tricouche torsadé ne forme pas une seule région lisse mais se divise plutôt en deux dômes distincts lorsque la densité électronique est réglée. Entre les dômes, la supraconductivité est fortement supprimée, indiquant une compétition ou un changement possible dans le mécanisme de jumelage sous-jacent.
Chaque dôme affichait des caractéristiques uniques: un côté a montré un commutateur plus net et plus soudain dans l'état supraconducteur, et les mesures ont montré une sorte de « mémoire » dans la façon dont le matériau a réagi au courant électrique: comment il a réagi à l'augmentation du courant n'était pas la même chose que la façon dont elle a réagi au courant décroissant. L'autre dôme a eu une transition plus douce et plus lente vers la supraconductivité sans aucune preuve de «mémoire».
Les chercheurs ont développé des travaux théoriques (calculs de Hartree-Fock) pour interpréter leurs résultats expérimentaux, montrant que des changements subtils dans la façon dont les électrons s'organisent, qui sont façonnés par les deux interactions et le champ de déplacement appliqué, déterminent où la supraconductivité est favorisée. Les données pointent vers différents types d'appariement d'électrons dans les deux dômes, éventuellement liés à des modifications de «l'ordre» électronique du système.
L'étude met en évidence MATTG comme le premier système où la supraconductivité à double dôme peut être directement contrôlée par un champ électrique. Il offre une nouvelle façon d'étudier comment la supraconductivité non conventionnelle émerge et comment elle peut être réglée, en ouvrant des possibilités de conception de dispositifs quantiques ou d'exploration de nouveaux états de matière dans les matériaux d'ingénierie.
