Les physiciens du MIT ont découvert que le graphène à trois couches à «angle magique» peut être un supraconducteur rare et résistant au magnétique.

Les nouvelles découvertes pourraient aider à concevoir des machines IRM plus puissantes ou des ordinateurs quantiques puissants.

Des physiciens du Massachusetts Institute of Technology ont remarqué des signes d’un type rare de supraconductivité dans un matériau appelé graphène à trois couches torsadé à angle magique. Dans une étude publiée dans natureLes chercheurs rapportent que le matériau présente une supraconductivité dans des champs magnétiques étonnamment élevés allant jusqu’à 10 Tesla, ce qui est trois fois plus élevé que ce à quoi le matériau devrait résister s’il s’agissait d’un supraconducteur conventionnel.

Les résultats suggèrent fortement que le graphène magique à trois couches, qui a été initialement découvert par le même groupe, est un type très rare de supraconducteur, connu sous le nom de « spin triplet », imperméable aux champs magnétiques élevés. De tels supraconducteurs exotiques pourraient grandement améliorer les techniques telles que l’imagerie par résonance magnétique, qui utilise des fils supraconducteurs sous un champ magnétique pour entrer en résonance avec les tissus biologiques et les imager. Les appareils d’IRM sont actuellement limités à des champs magnétiques de 1 à 3 Tesla. S’ils pouvaient être construits à l’aide de supraconducteurs à triple spin, l’IRM pourrait fonctionner sous des champs magnétiques plus élevés pour produire des images plus claires et plus profondes du corps humain.

De nouvelles preuves de la supraconductivité à triple spin dans le graphène à trois couches pourraient également aider les scientifiques à concevoir des supraconducteurs plus puissants pour l’informatique quantique pratique.

« La valeur de cette expérience est ce qu’elle nous apprend sur la supraconductivité de base, et comment les matériaux peuvent se comporter, de sorte qu’avec ces leçons, nous pouvons essayer de concevoir des principes pour d’autres matériaux qui sont plus faciles à fabriquer, et peut-être que cela vous donnera une meilleure supraconductivité, », explique Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique à Cecil et Ida Green au Massachusetts Institute of Technology.

Les co-auteurs de l’article incluent Yuan Kao et l’étudiant diplômé Jeong Min Park du Massachusetts Institute of Technology, Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.

étrange transformation

Les matériaux supraconducteurs sont définis par leur capacité très efficace à conduire l’électricité sans perte d’énergie. Lorsqu’ils sont exposés à un courant électrique, les électrons d’un supraconducteur s’apparient en « paires de cuivre » qui traversent ensuite le matériau sans résistance, comme les passagers d’un train rapide.

Dans la grande majorité des supraconducteurs, ces paires de passagers ont un spin opposé, avec un électron tournant vers le haut et l’autre vers le bas – une configuration connue sous le nom de « spin singulier ». Ces paires sont accélérées par un supraconducteur, à l’exception des champs magnétiques élevés, qui peuvent déplacer l’énergie de chaque électron dans des directions opposées, séparant la paire l’une de l’autre. De cette manière, et par le biais de mécanismes, des champs magnétiques élevés peuvent perturber la supraconductivité dans les supraconducteurs à spin conventionnels.

« C’est la raison ultime pour laquelle la supraconductivité disparaît dans un champ magnétique suffisamment grand », explique Park.

Mais il existe quelques supraconducteurs étranges qui ne sont pas affectés par les champs magnétiques, même de très grandes puissances. Ces matériaux sont supraconducteurs grâce à des paires d’électrons ayant le même spin – une propriété connue sous le nom de « triple spin ». Lorsqu’ils sont exposés à des champs magnétiques élevés, l’énergie des deux électrons de la paire de Cooper se déplace dans la même direction, de telle sorte qu’ils ne sont pas séparés l’un de l’autre mais continuent à être supraconducteurs sans perturbation, quelle que soit la force du champ magnétique.

Le groupe de Jarillo-Herrero était curieux de savoir si le graphène à angle magique à trois couches pouvait apporter des indices sur une supraconductivité inhabituelle à triple spin. L’équipe a réalisé des travaux révolutionnaires en étudiant les structures de moiré du graphène – des couches de réseaux de carbone très fins qui, lorsqu’ils sont empilés à des angles spécifiques, peuvent conduire à des comportements électroniques surprenants.

Les chercheurs ont initialement signalé ces propriétés particulières dans deux feuilles de graphène inclinées, qu’ils ont appelées graphène bicouche magique. Ils ont rapidement suivi des tests de graphène à trois couches, une formation en sandwich de trois feuilles de graphène qui s’est avérée plus résistante que son homologue à deux couches, tout en conservant sa supraconductivité à des températures plus élevées. Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique modeste, ils ont remarqué que le graphène à trois couches était capable de supraconducteur à des intensités de champ qui détruiraient la supraconductivité dans le graphène bicouche.

« Nous avons pensé que c’était une chose très étrange », déclare Jarilo Herrero.

retour miraculeux

Dans leur nouvelle étude, les physiciens ont testé la supraconductivité du graphène à trois couches sous des champs magnétiques de plus en plus élevés. Ils ont fabriqué le matériau en exfoliant de fines couches de carbone à partir d’un bloc de graphite, en empilant trois couches ensemble et en faisant pivoter la couche intermédiaire de 1,56 degrés par rapport aux couches externes. Ils ont attaché une électrode à chaque extrémité du matériau pour y faire passer un courant et mesurer toute énergie perdue au cours du processus. Ensuite, ils ont allumé un grand aimant dans le laboratoire, avec un champ qu’ils ont dirigé parallèlement au matériau.

Lorsqu’ils ont augmenté le champ magnétique autour du graphène à trois couches, ils ont remarqué que la supraconductivité résistait assez fortement avant de disparaître, mais réapparaissait de manière intrigante à des intensités de champ plus élevées – une résurgence très inhabituelle qui ne se produit pas dans les supraconducteurs conventionnels.

« Dans les supraconducteurs à simple spin, si vous tuez la supraconductivité, elle ne revient jamais – elle est partie pour toujours », explique Kao. « Ici, il est réapparu. Cela indique donc clairement que ce matériau n’est pas une pièce unique. »

Ils ont également noté qu’après la « rentrée », la supraconductivité persistait jusqu’à 10 Tesla, l’intensité de champ maximale qu’un aimant de laboratoire pourrait produire. C’est environ trois fois plus élevé que ce qu’un supraconducteur devrait supporter s’il s’agissait d’un seul spin conventionnel, selon la limite de Pauli, une théorie qui prédit le champ magnétique maximal dans lequel un matériau peut conserver la supraconductivité.

L’apparition de la supraconductivité du graphène à trois couches, combinée à sa stabilité dans des champs magnétiques plus élevés que prévu, exclut la possibilité que le matériau soit un supraconducteur ordinaire. Au lieu de cela, il s’agit probablement d’une espèce très rare, probablement triple, qui héberge des paires de Cooper qui traversent rapidement le matériau, imperméables aux champs magnétiques élevés. L’équipe prévoit de forer dans le matériau pour confirmer son état de spin précis, ce qui pourrait aider à concevoir des IRM plus puissantes, ainsi que des ordinateurs quantiques plus puissants.

« L’informatique quantique classique est très fragile », déclare Jarillo Herrero. « Vous le regardez et il disparaît homo. Il y a environ 20 ans, les théoriciens ont proposé un type de supraconductivité topologique qui, si elle était réalisée dans n’importe quel matériau, pourrait [enable] Un ordinateur quantique où les états responsables du calcul sont très puissants. Cela donnerait plus de puissance infinie pour faire de l’informatique. L’élément clé à connaître sont les supraconducteurs à triple spin, d’un certain type. Nous n’avons aucune idée si notre espèce est de ce genre. Mais même si ce n’était pas le cas, cela pourrait faciliter le placement de graphène à trois couches avec d’autres matériaux pour concevoir ce type de supraconductivité. Cela pourrait être un bon hack. Mais c’est encore trop tôt. »

Référence : « Violation de la limite de Pauli et rentrée de la supraconductivité dans le graphène d’ondulation » Par Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi et Pablo Jarillo-Herrero, 21 juillet 2021, nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03685-y

Cette recherche a été soutenue par le département américain de l’Énergie, la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation, la Ramon Arises Foundation et le Sevare Quantum Materials Program.