Des physiciens du MIT ont observé des signes d’un type rare de supraconductivité dans un matériau appelé graphène tricouche torsadé à angle magique. Dans une étude parue dans Nature, les chercheurs indiquent que le matériau présente une supraconductivité à des champs magnétiques étonnamment élevés, jusqu’à 10 Tesla, soit trois fois plus que ce que le matériau devrait supporter s’il s’agissait d’un supraconducteur classique.
Ces résultats suggèrent fortement que le graphène tricouche à angle magique, initialement découvert par le même groupe, est un type très rare de supraconducteur, appelé « triplé de spin », qui est insensible aux champs magnétiques élevés. Ces supraconducteurs exotiques pourraient améliorer considérablement les technologies telles que l’imagerie par résonance magnétique, qui utilise des fils supraconducteurs soumis à un champ magnétique pour entrer en résonance avec les tissus biologiques et les visualiser. Les appareils d’IRM sont actuellement limités à des champs magnétiques de 1 à 3 Tesla. Si elles pouvaient être construites avec des supraconducteurs à triplets de spin, 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 des triplés de spin dans le graphène trilatéral pourrait également aider les scientifiques à concevoir des supraconducteurs plus puissants pour l’informatique quantique pratique.
« La valeur de cette expérience réside dans 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 une meilleure supraconductivité« , explique Pablo Jarillo-Herrero, titulaire de la chaire de physique Cecil et Ida Green au MIT.
Parmi les co-auteurs de l’article figurent Yuan Cao, post-doctorant, et Jeong Min Park, étudiant diplômé du MIT, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi, du National Institute for Materials Science au Japon.
Un changement étrange
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 s’accouplent en « paires de Cooper » qui traversent ensuite le matériau sans résistance, comme les passagers d’un train express.
Dans la grande majorité des supraconducteurs, ces paires de passagers ont des spins opposés, un électron tournant vers le haut et l’autre vers le bas – une configuration connue sous le nom de « spin-singlet ». Ces paires se déplacent allègrement dans un supraconducteur, sauf sous des champs magnétiques élevés, qui peuvent déplacer l’énergie de chaque électron dans des directions opposées et séparer la paire. De cette façon, et par le biais de mécanismes, les champs magnétiques élevés peuvent faire dérailler la supraconductivité dans les supraconducteurs classiques à spin-singlet.
« C’est la raison ultime pour laquelle, dans un champ magnétique suffisamment important, la supraconductivité disparaît« , explique M. Park.
Mais il existe une poignée de supraconducteurs exotiques qui sont imperméables aux champs magnétiques, jusqu’à de très grandes intensités. Ces matériaux sont supraconducteurs grâce à des paires d’électrons ayant 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 sorte qu’ils ne sont pas séparés mais continuent à se supraconduire 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 abriter des signes de cette supraconductivité spin-triplet plus inhabituelle. L’équipe a réalisé des travaux pionniers dans l’étude des structures moirées du graphène – des couches de réseaux de carbone atomiques qui, lorsqu’elles sont empilées selon des angles spécifiques, peuvent donner lieu à des comportements électroniques surprenants.
Les chercheurs ont d’abord signalé ces propriétés curieuses dans deux feuilles de graphène inclinées, qu’ils ont baptisées graphène bicouche à angle magique. Ils ont ensuite testé le graphène tricouche, une configuration en sandwich de trois feuilles de graphène qui s’est avérée encore plus solide 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 supraconduire à des intensités de champ qui auraient détruit la supraconductivité du graphène bicouche.
« Nous nous sommes dit que c’était quelque chose de très étrange », a déclaré M. Jarillo-Herrero.
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