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La supraconductivité avec une torsade expliquée
Les physiciens ont révélé ce qui rend le graphène à angle magique si spécial. Il s'agit d'une étape clé pour élucider le mystère de la supraconductivité dans ce matériau récemment découvert, qui pourrait faire l'objet de percées technologiques.
Les matériaux à angle magique représentent une découverte surprenante de la physique récente dans les doubles couches de graphène, le matériau bidimensionnel fait d'atomes de carbone selon un motif hexagonal.
Lorsque la couche supérieure de deux couches superposées de graphène est tournée d'environ 1 degré, le matériau se transforme soudainement en supraconducteur. À une température de 3 Kelvin, ce graphène bicouche torsadé (tbg) conduit l'électricité sans résistance.
Aujourd'hui, une équipe internationale de scientifiques de Genève, Barcelone et Leyden a enfin confirmé le mécanisme de ce nouveau type de supraconducteurs. Dans leur article, ils montrent que la légère torsion provoque un ralentissement suffisant des électrons du matériau pour qu'ils se détectent mutuellement. Cela leur permet de former les paires d'électrons nécessaires à la supraconductivité.
Comment une si petite torsion peut-elle faire une si grande différence ? Cela est lié l'effet de moirés, un phénomène que l'on observe également dans le monde quotidien. Lorsque deux réseaux avec un motif se trouvent l'une devant l'autre, on observe des points sombres et des points lumineux supplémentaires, causés par le chevauchement variable des motifs. Ces motifs moirés (dérivés du nom français des motifs textiles réalisés de manière similaire) apparaissent généralement là où les structures périodiques se chevauchent imparfaitement.
Le graphène bicouche torsadé est exactement une telle situation : l'interaction entre les deux réseaux hexagonaux de carbone, légèrement torsadés, fait apparaître un motif moiré hexagonal beaucoup plus grand.
En créant cette nouvelle périodicité, on prévoit que l'interaction entre les électrons va changer, ce qui ralentira les électrons. Lors de recherches précédentes, des signes évidents de supraconductivité ont été mesurés, mais on n'a pas encore trouvé de preuves que cela soit dû à des "électrons lents".
L'une des clés de ce travail a été l'excellente qualité des échantillons, comme l'a démontré l'ICFO - l'Institut des sciences photoniques de Barcelone. Cependant, même dans un bon échantillon, l'angle de torsion correct n'est obtenu que dans de petites parcelles de graphène à double couche. En utilisant des techniques de microscopie avancées, les groupes de Leydes ont imagé et caractérisé les échantillons, de sorte que les zones à angle magique ont été localisées avec précision.
Ensuite, le groupe de Genève a utilisé des nano-ARPES, une technique de spectroscopie locale basée sur l'effet photoélectrique, pour démontrer l'existence de ces électrons lents.
La compréhension, puis l'optimisation de ce type de supraconductivité pourrait déboucher sur de nombreuses applications technologiques, allant du transport d'énergie sans perte aux détecteurs de lumière hypersensibles.
Contact : Prof. Felix Baumberger, DQMP,
29 septembre 2020
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