Illustration de trous chargés positivement interagissant avec des électrons chargés négativement entre deux feuilles de graphène pour former une paire bosonique. Crédit : Cory R. Dean, Université de Columbia
Une plateforme accordable faite de matériaux atomiquement fins pourrait aider les chercheurs à comprendre comment créer un condensat quantique robuste qui peut s’écouler sans perdre d’énergie.
Les électrons qui circulent dans les lignes électriques et les ordinateurs rencontrent inévitablement une résistance ; ils perdent alors une partie de leur énergie, qui se dissipe sous forme de chaleur. C’est pourquoi les ordinateurs portables chauffent après une utilisation prolongée et que les fermes de serveurs qui alimentent le cloud computing nécessitent une climatisation importante pour éviter la surchauffe des machines. De même, toute particule transportant de l’énergie a tendance à perdre cette énergie lorsqu’elle circule dans un environnement typique. Il existe quelques exceptions, qui se produisent généralement à très basse température lorsque les particules forment des paires appelées condensats quantiques. Cela conduit à la supraconductivité, avec une résistance électrique nulle, dans certains métaux comme l’aluminium, et à la superfluidité dans l’hélium liquéfié, qui peut alors circuler sans dissipation.
De nombreuses applications, de la transmission d’énergie sans dissipation à l’informatique quantique, ont été développées à partir de matériaux supraconducteurs présentant ces états de condensation quantique. Mais les matériaux supraconducteurs connus doivent être maintenus au froid, ce qui est souvent peu pratique. Pour augmenter la température des dispositifs sans perte d’énergie, les chercheurs doivent mieux comprendre ce qui conduit à la formation des condensats quantiques.
En théorie, la supraconductivité est le résultat d’électrons appariés. Cependant, dans la plupart des matériaux, cet appariement est faible – deux particules chargées négativement ne veulent normalement pas s’apparier – et la force de l’appariement est fixe. Dans un nouvel article paru dans ScienceCory Dean et James Hone de Columbia, Xiaomeng Liu, Philip Kim et Bert Halperin de Harvard, Jia Li de Brown, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi du NIMS au Japon décrivent un système accordable, graphène-qui utilise des charges opposées – électrons et trous – pour former des paires de particules quantiques sous des champs magnétiques puissants. La force de cet appariement peut maintenant varier le long d’un continuum, ce qui permettra à l’équipe de tester les prédictions théoriques sur les origines des condensats quantiques et la façon dont ils pourraient augmenter les limites de température de la supraconductivité.
Conception d’une plateforme accordable
La théorie sous-jacente est assez simple. “Si vous pouvez faire en sorte que les électrons s’apparient, ils peuvent être supraconducteurs”, a déclaré Dean. Selon la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), une force d’attraction entre électrons, aussi faible soit-elle, entraîne l’appariement de ces électrons et la formation d’un nouveau type de particule appelé “paire de Cooper”. Ces paires se comportent comme des particules appelées bosons et, à des températures suffisamment basses, elles peuvent entrer dans un état collectif et se déplacer dans un matériau sans être gênées par le désordre, ce qu’un électron seul ne peut pas faire.
Mais il y a eu un problème. “Les électrons ne veulent pas s’apparier”, explique Dean. Les semblables se repoussent, comme le dit le dicton. Plutôt que d’essayer de forcer une liaison entre deux électrons chargés négativement, l’équipe a exploré comment les opposés peuvent s’attirer pour produire un boson équivalent “apparié”.
Une deuxième illustration de trous chargés positivement interagissant avec des électrons chargés négativement entre deux feuilles de graphène pour former une paire bosonique. Crédit : Cory R. Dean, Université de Columbia
L’idée générale, qui a d’abord été proposée par des physiciens théoriques, est maintenant réalisée par l’équipe de l’Université de Columbia. atome-L’idée générale, qui a d’abord été proposée par des physiciens théoriques, est maintenant réalisée par l’équipe dans des feuilles de graphène deatomesun matériau aux propriétés uniques qu’ils s’efforcent d’exploiter depuis plusieurs années. En fonction des tensions et des champs magnétiques appliqués, il est possible de fabriquer des feuilles de graphène peuplées soit d’électrons chargés négativement, soit de trous chargés positivement. Lorsque deux feuilles de ce type sont mises ensemble, les électrons d’une feuille voudront s’apparier avec les trous de charge opposée de l’autre feuille, formant ainsi la paire bosonique.
Une certaine distance est encore nécessaire. “On a d’abord essayé d’apparier des électrons et des trous dans un seul matériau, et oui, il y a une attraction entre eux, mais dans un sens, l’attraction est trop forte”, a déclaré Liu, l’auteur principal de l’article. Si les deux se rapprochent trop, ils se combinent et disparaissent. À l’aide d’une technique mise au point à Columbia pour créer des empilements de différents matériaux atomiques, l’équipe a ajouté des couches de nitrure de bore isolant entre le graphène de sa plate-forme. Cela a permis de créerLa distance physique entre les électrons d’une feuille de graphène et les trous d’une autre feuille, qui a également influencé la force de l’interaction : plus de couches isolantes ont donné une liaison plus faible ; moins de couches, une liaison plus forte. “En faisant varier l’épaisseur de cette couche de séparation, nous avons un contrôle direct et réglable sur la force de l’interaction”, a déclaré Li, un autre auteur principal de ces travaux.
Les électrons et les trous ne doivent pas seulement interagir entre eux ; les paires bosoniques qu’ils forment doivent également interagir avec d’autres paires pour atteindre un état de condensat quantique collectif. En modifiant le nombre de couches isolantes, l’équipe a pu contrôler la force de liaison entre les électrons et les trous, tandis que la modification du champ magnétique externe a permis d’ajuster l’interaction entre les paires bosoniques.
Traverser pour élever la température
La plupart des matériaux supraconducteurs ne peuvent exister qu’à des températures extrêmement basses, généralement inférieures à 10 kelvins (ou -441 degrés). Fahrenheit). Toutefois, dans certains matériaux, appelés supraconducteurs à haute température, l’état de paire survit à des températures aussi élevées que 200 K (-100 degrés Fahrenheit). Bien qu’encore très froide, l’existence de supraconducteurs à haute température suggère que le condensat quantique pourrait se produire à température ambiante. Cependant, malgré plusieurs décennies de recherche, les progrès pour réaliser des condensats quantiques à des températures encore plus élevées en utilisant des paires électron-électron ou des paires électron-trou ont été lents.
Une théorie veut que les supraconducteurs à haute température résultent d’un appariement d’électrons qui n’est ni “faible” ni “fort”, mais qui existe à la croisée de ces deux extrêmes. L’étude de l’appariement bosonique fort – décrit par la théorie du condensat de Bose-Einstein (BEC) – a été un défi pour les supraconducteurs à haute température, car les électrons se repoussent naturellement et il est difficile de contrôler leur interaction. Grâce à leur plateforme de graphène accordable qui combine des électrons avec des trous plutôt que des paires électron-électron, l’équipe peut maintenant cartographier pour la première fois comment la conductivité change lorsque la force d’appariement est déplacée entre les extrêmes BEC et BCS.
Dans ce cas, les expériences se sont déroulées à des températures d’hélium liquide – moins 450 degrés Fahrenheit – et sous un aimant puissant de 10 Tesla (environ 100 fois plus puissant qu’un aimant de réfrigérateur typique) ; aucune de ces conditions n’est pratique pour construire des dispositifs réels qui pourraient fonctionner sur une puce à l’intérieur d’un ordinateur. Mais, selon Dean, ces travaux ouvrent de nouvelles voies de recherche. “Grâce à la capacité de réglage de cette plateforme, nous pouvons tester des prédictions théoriques d’une manière qui n’était pas accessible auparavant”, a-t-il déclaré.
Avec des matériaux différents, il peut également être possible de perdre l’aimant, qui est nécessaire pour faire bouger les électrons normalement non interactifs du graphène. Par exemple, les semi-conducteurs peuvent être manipulés pour être pleins d’électrons et/ou pleins de trous. La formation de paires stables d’électrons et de trous à partir de ces feuilles est une question de détails techniques, comme la “propreté” et l’absence de défauts des matériaux et la possibilité d’établir un contact approprié entre eux. “Si de tels condensats de paires électron-trou – également appelés condensats d’exciton – peuvent être stabilisés à haute température et sans champ magnétique, cela pourrait conduire à des utilisations pratiques”, a déclaré Halperin, un physicien de Harvard.
“Ce que nous établissons avec cette plateforme de graphène, c’est que le concept sous-jacent est absolument solide”, a déclaré Dean. “Ce n’est plus de la fantaisie, c’est la réalité. Maintenant, cela devient, en un sens, un défi d’ingénierie.”
Référence : ” Crossover between Strongly-coupled and Weakly-coupled Exciton Superfluids ” 13 janvier 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abg1110
