Les physiciens du MIT ont observé des signes d’un type rare de supraconductivité dans un matériau appelé graphène tricouche torsadé à «angle magique». Crédit : Avec l’aimable autorisation de Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park, et al
De nouvelles découvertes pourraient aider à éclairer la conception d’appareils d’IRM plus puissants ou d’ordinateurs quantiques robustes.
AVEC les physiciens ont observé des signes d’un type rare de supraconductivité dans un matériau appelé tricouche torsadée à angle magique graphène. Dans une étude publiée dans La nature, les chercheurs rapportent que le matériau présente une supraconductivité à des champs magnétiques étonnamment élevés allant jusqu’à 10 Tesla, ce qui est trois fois plus élevé que ce que le matériau devrait endurer s’il s’agissait d’un supraconducteur conventionnel.
Les résultats impliquent fortement que le graphène tricouche à angle magique, qui a été initialement découvert par le même groupe, est un type très rare de supraconducteur, connu sous le nom de « spin-triplet », qui est imperméable aux champs magnétiques élevés. De tels supraconducteurs exotiques pourraient considérablement améliorer les technologies telles que l’imagerie par résonance magnétique, qui utilise des fils supraconducteurs sous un champ magnétique pour résonner et imager les tissus biologiques. Les appareils d’IRM sont actuellement limités à des champs magnétiques de 1 à 3 Tesla. S’ils pouvaient être construits avec des supraconducteurs à spin triplet, l’IRM pourrait fonctionner sous des champs magnétiques plus élevés pour produire des images plus nettes et plus profondes du corps humain.
La nouvelle preuve de la supraconductivité spin-triplet dans le graphène tricouche pourrait également aider les scientifiques à concevoir des supraconducteurs plus puissants pour des l’informatique quantique.
“La valeur de cette expérience est ce qu’elle nous apprend sur la supraconductivité fondamentale, sur la façon dont les matériaux peuvent se comporter, de sorte qu’avec ces leçons apprises, nous pouvons essayer de concevoir des principes pour d’autres matériaux qui seraient plus faciles à fabriquer, qui pourraient peut-être vous donner mieux supraconductivité », déclare Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT.
Ses co-auteurs de l’article incluent le postdoctorant Yuan Cao et l’étudiant diplômé Jeong Min Park au MIT, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
Étrange changement
Les matériaux supraconducteurs sont définis par leur capacité super efficace à conduire l’électricité sans perdre d’énergie. Lorsqu’ils sont exposés à un courant électrique, les électrons d’un supraconducteur se couplent en « paires de Cooper » qui traversent ensuite le matériau sans résistance, comme les passagers d’un train express.
Dans une grande majorité de supraconducteurs, ces paires de passagers ont des spins opposés, avec un électron tournant vers le haut et l’autre vers le bas – une configuration connue sous le nom de « spin-singulet ». Ces paires traversent joyeusement un supraconducteur, sauf sous des champs magnétiques élevés, qui peuvent déplacer l’énergie de chaque électron dans des directions opposées, séparant la paire. De cette façon, et par le biais de mécanismes, des champs magnétiques élevés peuvent faire dérailler la supraconductivité dans les supraconducteurs à spin unique conventionnels.
“C’est la raison ultime pour laquelle dans un champ magnétique suffisamment grand, la supraconductivité disparaît”, explique Park.
Mais il existe une poignée de supraconducteurs exotiques qui sont imperméables aux champs magnétiques, jusqu’à des forces très importantes. Ces matériaux sont supraconducteurs à travers des paires d’électrons avec le même spin – une propriété connue sous le nom de “spin-triplet”. Lorsqu’ils sont exposés à des champs magnétiques élevés, l’énergie des deux électrons d’une paire de Cooper se déplace dans la même direction, de manière à ce qu’ils ne soient pas séparés mais continuent à être supraconducteurs sans être perturbés, quelle que soit l’intensité du champ magnétique.
Le groupe de Jarillo-Herrero était curieux de savoir si le graphène tricouche à angle magique pouvait contenir des signes de cette supraconductivité à triplet de spin plus inhabituelle. L’équipe a réalisé des travaux pionniers dans l’étude des structures moirées du graphène — des couches de atome-des réseaux de carbone minces qui, lorsqu’ils sont empilés à des angles spécifiques, peuvent donner lieu à des comportements électroniques surprenants.
Les chercheurs ont initialement signalé de telles propriétés curieuses dans deux feuilles de graphène inclinées, qu’ils ont surnommées graphène bicouche à angle magique. Ils ont rapidement suivi avec des tests de graphène tricouche, une configuration sandwich de trois feuilles de graphène qui s’est avérée encore plus résistante que son homologue bicouche, conservant la supraconductivité à des températures plus élevées. Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique modeste, ils ont remarqué que le graphène tricouche était capable de supraconducteur à des intensités de champ qui détruiraient la supraconductivité dans le graphène bicouche.
“Nous avons pensé que c’était quelque chose de très étrange”, dit Jarillo-Herrero.
Un super retour
Dans leur nouvelle étude, les physiciens ont testé la supraconductivité du graphène tricouche sous des champs magnétiques de plus en plus élevés. Ils ont fabriqué le matériau en décollant des couches de carbone très fines d’un bloc de graphite, en empilant trois couches ensemble et en faisant pivoter celle du milieu de 1,56 degrés par rapport aux couches externes. Ils ont attaché une électrode à chaque extrémité du matériau pour 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 orienté parallèlement au matériau.
Alors qu’ils augmentaient le champ magnétique autour du graphène tricouche, ils ont observé que la supraconductivité restait forte jusqu’à un certain point avant de disparaître, mais réapparaissait ensuite curieusement à des intensités de champ plus élevées – un retour qui est très inhabituel et ne se produit pas dans les supraconducteurs conventionnels à spin unique.
« Dans les supraconducteurs à spin unique, si vous tuez la supraconductivité, elle ne revient jamais — c’est parti pour de bon », explique Cao. « Ici, il est réapparu. Cela dit donc clairement que ce matériau n’est pas un spin-singlet.
Ils ont également observé qu’après la « rentrée », la supraconductivité persistait jusqu’à 10 Tesla, l’intensité de champ maximale que l’aimant du laboratoire pouvait produire. C’est environ trois fois plus élevé que ce que le supraconducteur devrait supporter s’il s’agissait d’un spin-singlet conventionnel, selon la limite de Pauli, une théorie qui prédit le champ magnétique maximal auquel un matériau peut conserver la supraconductivité.
La réapparition de la supraconductivité du graphène à trois couches, associée à sa persistance à 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’un type très rare, peut-être un spin-triplet, hébergeant des paires de Cooper qui traversent rapidement le matériau, imperméables aux champs magnétiques élevés. L’équipe prévoit d’approfondir le matériau pour confirmer son état de spin exact, ce qui pourrait aider à éclairer la conception de machines IRM plus puissantes, ainsi que d’ordinateurs quantiques plus robustes.
« L’informatique quantique classique est extrêmement fragile », déclare Jarillo-Herrero. « Vous le regardez et, pouf, il disparaît. Il y a environ 20 ans, les théoriciens ont proposé un type de supraconductivité topologique qui, s’il était réalisé dans n’importe quel matériau, pourrait [enable] un ordinateur quantique où les états responsables du calcul sont très robustes. Cela donnerait infiniment plus de puissance pour faire de l’informatique. L’ingrédient clé pour réaliser cela serait des supraconducteurs à spin triplet, d’un certain type. Nous n’avons aucune idée si notre type est de ce type. Mais même si ce n’est pas le cas, cela pourrait faciliter l’association de graphène tricouche avec d’autres matériaux pour concevoir ce type de supraconductivité. Cela pourrait être une percée majeure. Mais il est encore très tôt.
Référence : « Pauli-limit violation and re-entrant supraconductivity in moiré graphène » par Yuan Cao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi et Pablo Jarillo-Herrero, 21 juillet 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03685-y
Cette recherche a été financée par le département américain de l’Énergie, la National Science Foundation, la Fondation Gordon et Betty Moore, la Fundacion Ramon Areces et le Programme des matériaux quantiques de l’ICRA.
