La structure pourrait révéler les conditions préalables à la supraconductivité à haute température.

Lorsque deux feuilles de graphène sont empilées l'une sur l'autre à angle droit, la structure en couches se transforme en un supraconducteur non conventionnel qui permet aux courants électriques de le traverser sans résistance ni gaspillage d'énergie.

Cette transformation « en angle magique » dans le graphène à deux couches a été observée pour la première fois en 2018 dans le groupe de Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT.

Depuis lors, les scientifiques du domaine en plein essor de la "twistronique" ont recherché d'autres matériaux pouvant être transformés de la même manière en supraconductivité. Jusqu'à présent, cependant, aucun autre matériau torsadé autre que le graphène bicouche torsadé d'origine n'a montré de supraconductivité.

Dans un article publié dans la revue Nature, Jarillo-Herrero et son groupe rapportent l'observation de la supraconductivité dans un sandwich de trois couches de graphène, la couche intermédiaire étant tordue à un nouvel angle par rapport aux couches externes. Cette nouvelle configuration à trois couches présente une supraconductivité plus robuste que son homologue à deux couches.

Les chercheurs peuvent également ajuster la supraconductivité de la structure en appliquant et en faisant varier la force d'un champ électrique externe. En ajustant la structure à trois couches, les chercheurs ont pu produire une supraconductivité ultrafortement couplée, un type exotique de comportement électrique jamais observé auparavant dans aucun autre matériau.

"Il n'était pas clair si le graphène à angle magique à deux couches était une anomalie, mais maintenant nous savons que ce n'est pas le seul ; il a un cousin dans la structure à trois couches », explique Jarillo-Herrero. "La découverte de ce supraconducteur hypertune élargit le domaine de la twistronique dans des directions entièrement nouvelles, avec des applications potentielles dans l'information quantique et la technologie des capteurs."

Ses co-auteurs sont les auteurs principaux Jeong Min Park et Yuan Cao du MIT, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Le rendu de cet artiste montre un graphène tricouche torsadé à angle magique composé de trois réseaux en nid d'abeille. Les électrons étroitement liés (sphères jaunes reliées par des halos bleus) indiquent l'état supraconducteur fortement couplé de la nouvelle structure. Crédit : Ella Maru Studio

Une nouvelle super famille

Peu de temps après que Jarillo-Herrero et ses collègues ont découvert que la supraconductivité pouvait être générée dans le graphène à deux couches torsadées, les théoriciens ont proposé que le même phénomène puisse également se produire dans trois couches de graphène ou plus.

Une feuille de graphène est une fine couche de graphite composée entièrement d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeille, comme le grillage le plus fin et le plus solide.

Les théoriciens ont proposé que si trois couches de graphène étaient empilées comme un sandwich, avec la couche intermédiaire tournée de 1,56 degrés par rapport aux couches externes, la configuration torsadée créerait une sorte de symétrie vers laquelle les électrons du matériau graviteraient, s'accoupleraient et couleraient sans résistance - la marque de supraconductivité.

"Nous avons pensé pourquoi pas, essayons et testons cette idée", explique Jarillo-Herrero.

Park et Cao ont fabriqué des structures de graphène à trois couches en découpant soigneusement une seule feuille de graphène très fine en trois sections et en empilant chaque section l'une sur l'autre exactement aux angles prédits par les théoriciens.

Ils ont créé plusieurs structures à trois couches, chacune de quelques microns de diamètre (environ 1/100ème du diamètre d'un cheveu humain) et haute de trois atomes.

"Notre structure est un nanosandwich", explique Jarillo-Herrero.

L'équipe a ensuite attaché des électrodes à chaque extrémité des structures et a fait passer un courant électrique à travers elles tout en mesurant la quantité d'énergie perdue ou dissipée dans le matériau.

"Nous n'avons pu détecter aucune perte d'énergie, ce qui signifie qu'il s'agit d'un supraconducteur", explique Jarillo-Herrero. "Nous devons donner du crédit aux théoriciens - ils ont trouvé le bon angle."

Il ajoute que la cause exacte de la supraconductivité de la structure - qu'elle soit due ou non à la symétrie, comme le suggèrent les théoriciens - n'est pas encore connue et que les chercheurs prévoient de la tester dans de futures expériences.

"En ce moment, nous avons une corrélation, pas une causalité", dit-il. "Maintenant, nous avons au moins un moyen d'explorer potentiellement une grande famille de nouveaux supraconducteurs basés sur cette idée de symétrie."

Lorsqu'une pression est appliquée sur du graphène torsadé en deux couches, le matériau se transforme d'un métal en un supraconducteur.

"Le plus gros coup"

En explorant leur nouvelle structure à trois couches, l'équipe a découvert qu'ils pouvaient contrôler la supraconductivité de deux manières. Avec leur structure bicouche antérieure, les chercheurs ont pu régler la supraconductivité en appliquant une tension de grille externe pour modifier le nombre d'électrons traversant le matériau.

Tout en ajustant la tension de grille de haut en bas, ils ont mesuré la température critique à laquelle le matériau cesse de libérer de l'énergie et devient supraconducteur. Cela a permis à l'équipe d'activer et de désactiver la supraconductivité du graphène à deux couches, un peu comme un transistor.

L'équipe a utilisé la même méthode pour ajuster les graphiques à trois couches. Ils ont également découvert une deuxième façon de contrôler la supraconductivité du matériau, ce qui n'était pas possible avec le graphène bicouche et d'autres structures torsadées.

En utilisant une électrode supplémentaire, les chercheurs ont pu appliquer un champ électrique pour modifier la répartition des électrons entre les trois couches de la structure sans modifier la densité électronique globale de la structure.

"Ces deux contrôleurs indépendants nous donnent maintenant beaucoup d'informations sur les conditions dans lesquelles la supraconductivité se produit, ce qui peut nous donner un aperçu de la physique cruciale derrière la formation d'un état supraconducteur aussi inhabituel", explique Park.

En utilisant les deux méthodes pour ajuster la structure à trois couches, l'équipe a pu observer la supraconductivité dans une gamme de conditions, y compris une température critique relativement élevée de 3 Kelvin, même lorsque le matériau avait une faible densité électronique. En comparaison, l'aluminium, qui fait l'objet de recherches en tant que supraconducteur pour les ordinateurs quantiques, a une densité d'électrons beaucoup plus élevée et ne devient supraconducteur qu'à environ 1 Kelvin.

"Nous avons découvert que le graphène à angle magique est le supraconducteur le plus fortement couplé, ce qui signifie qu'il est supraconducteur à une température relativement élevée compte tenu du peu d'électrons qu'il peut avoir", explique Jarillo-Herrero. "Il offre le meilleur rapport qualité-prix."

Les chercheurs prévoient de fabriquer des structures de graphène torsadées avec plus de trois couches pour savoir si de telles configurations avec une densité électronique plus élevée peuvent présenter une supraconductivité à des températures plus élevées, même proches de la température ambiante.

"Si nous pouvions fabriquer ces structures à l'échelle industrielle, nous pourrions développer des bits supraconducteurs pour l'informatique quantique, l'électronique supraconductrice cryogénique, les photodétecteurs, etc. Nous n'avons pas compris comment en fabriquer des milliards à la fois", déclare Jarillo-Herrrero.

"Notre objectif principal est de découvrir ce qui sous-tend la supraconductivité fortement couplée", explique Park. « Le graphène à trois couches est non seulement le supraconducteur le plus fortement couplé jamais trouvé, mais aussi le plus accordable. Grâce à cette accordabilité, nous pouvons vraiment explorer la supraconductivité n'importe où dans l'espace des phases.

Référence : "Supraconductivité fortement couplée accordable dans le graphène tricouche torsadé à angle magique " par Jeong Min Park, Yuan Cao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi et Pablo Jarillo-Herrero, 1er février 2021, Nature.

DOI : 10.1038/s41586-021-03192-0

Cette recherche a été financée en partie par le ministère de l'Énergie, la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation et la Ramon Areces Foundation.