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Un clavier en graphène
La production de composants électroniques modernes nécessite des matériaux aux propriétés très diverses. Il existe, par exemple, des isolateurs qui ne conduisent pas le courant électrique et des supraconducteurs qui le transportent sans aucune perte. Pour obtenir une fonctionnalité particulière d'un composant, il faut généralement assembler plusieurs de ces matériaux. Souvent, cela n'est pas facile, en particulier lorsqu'il s'agit de nanostructures qui sont largement utilisées aujourd'hui. Une équipe de chercheur·ses de l'ETH Zurich, dirigée par Klaus Ensslin et Thomas Ihn du Laboratoire de physique des solides, a réussi à faire en sorte qu'un matériau se comporte alternativement comme un isolant ou comme un supraconducteur - ou même comme les deux à différents endroits du même matériau - en appliquant simplement une tension électrique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature Nanotechnology. Les travaux ont été soutenus par le Pôle de recherche national QSIT (Quantum Science and Technology).
Le graphène avec un angle magique
Le matériau utilisé par Klaus Ensslin et ses collègues porte le nom un peu lourd de «graphène bicouche torsadé à angle magique». En fait, ce nom cache quelque chose d'assez simple et bien connu, à savoir du carbone, mais sous une forme particulière et avec une torsion spéciale. Le point de départ du matériau est constitué par les flocons de graphène, qui sont des couches de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Les chercheur·ses ont superposé deux de ces couches de manière à ce que leurs axes cristallins ne soient pas parallèles, mais forment un «angle magique» d'exactement 1,06 degré. «C'est assez délicat, et nous devons également contrôler avec précision la température des flocons pendant la production. Par conséquent, cela se passe souvent mal», explique Peter Rickhaus, qui a participé aux expériences en tant que post-doctorant.
Dans vingt pour cent des cas, cependant, cela fonctionne et les réseaux cristallins atomiques des paillettes de graphène créent alors un motif dit moiré dans lequel les électrons du matériau se comportent différemment de ceux du graphène ordinaire. Les motifs moirés sont familiers à la télévision, par exemple, où l'interaction entre un vêtement à motifs et les lignes de balayage de l'image télévisée peut donner lieu à des effets optiques intéressants. Sur les flocons de graphène à angle magique, les chercheur·ses ont fixé plusieurs électrodes supplémentaires qu'il·les peuvent utiliser pour appliquer une tension électrique au matériau. Lorsqu'il·les refroidissent ensuite le tout à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu, quelque chose de remarquable se produit. En fonction de la tension appliquée, les flocons de graphène se comportent de deux manières totalement opposées: soit comme un supraconducteur, soit comme un isolant. Cette supraconductivité commutable a déjà été démontrée en 2018 au Massachusetts Institute of Technology (MIT), aux États-Unis. Aujourd'hui encore, seuls quelques groupes dans le monde sont en mesure de produire de tels échantillons.
Klaus Ensslin et ses collègues vont maintenant plus loin. En appliquant des tensions différentes aux différentes électrodes, il·les transforment le graphène à angle magique en isolant à un endroit, mais en le transformant en supraconducteur quelques centaines de nanomètres plus loin.
«Lorsque nous avons vu cela, nous avons évidemment d'abord essayé de réaliser une jonction Josephson», explique Fokko de Vries, qui est également postdoc dans le laboratoire d'Ensslins. Dans de telles jonctions, deux supraconducteurs sont séparés par une couche isolante très mince. De cette façon, le courant ne peut pas circuler directement entre les deux supraconducteurs, mais il doit traverser l'isolant par effet tunnel, selon la mécanique quantique. La conductivité du contact varie alors de manière caractéristique en fonction du courant, selon qu'il s'agit de courant continu ou alternatif.
Applications possibles dans les technologies quantiques
Les chercheur·ses de l'ETH Zurich ont réussi à produire une jonction Josephson à l'intérieur des flocons de graphène tordus par l'angle magique en utilisant différentes tensions appliquées aux trois électrodes, et à mesurer ses propriétés. «Maintenant que cela a fonctionné, nous pouvons nous essayer à des dispositifs plus complexes comme les SQUIDs», explique Fokko de Vries. Dans les SQUIDs («superconducting quantum interference device»), deux jonctions Josephson sont connectées pour former un anneau. Les applications pratiques de ces dispositifs comprennent la mesure de minuscules champs magnétiques, mais aussi des technologies modernes telles que les ordinateurs quantiques. Pour les utilisations possibles dans les ordinateurs quantiques, un aspect intéressant est qu'à l'aide des électrodes, les flocons de graphène peuvent être transformés non seulement en isolants et en supraconducteurs, mais aussi en aimants ou en isolants dits topologiques, dans lesquels le courant ne peut circuler que dans une seule direction le long du bord du matériau. Ce phénomène pourrait être exploité pour réaliser différents types de bits quantiques (qubits) dans un seul dispositif.
Un clavier pour les matériaux
«Mais pour l'instant, ce ne sont que des spéculations», déclare Klaus Ensslin. Néanmoins, il s'enthousiasme dès à présent pour les possibilités offertes par le contrôle électrique. «Avec les électrodes, nous pouvons pratiquement jouer du piano sur le graphène». Les physicien·nes espèrent, entre autres, que cela les aidera à mieux comprendre les mécanismes détaillés à l'origine de la supraconductivité du graphène à angle magique.