Le graphène, outil technologique du contrôle des esprits.

Une supraconductivité inhabituelle observée dans un graphène tricouche torsadé

PUBLIÉ LE 12 JUIL 2022 À 13H00  MODIFIÉ LE 12 JUILLET 2022  PAR IVES ETIENNE

Des chercheurs du California Institute of Technology viennent de publier dans Nature, les résultats d’une étonnante découverte sur une variété de graphène similaire au graphène à angle magique découvert en 2018.

Selon eux, ce matériau serait capable de supporter des champs magnétiques beaucoup plus puissants que la plupart des matériaux supraconducteurs classiques.

Selon une nouvelle étude, le graphène tricouche à angle magique est un type très rare de supraconducteur appelé spin-triplet qui n’affecte pas les champs magnétiques élevés. Les scientifiques du MIT ont observé un type rare de supraconductivité dans le graphène tricouche torsadé à angle magique.

Comme mentionné ci-dessus, le matériau présente une supraconductivité à des champs magnétiques étonnamment élevés allant jusqu’à 10 Tesla. Selon les scientifiques, de telles supraconducteurs exotiques pourrait grandement améliorer les technologies telles que l’IRM. Cela pourrait également aider les scientifiques à concevoir des supraconducteurs plus puissants pour des l’informatique quantique.

Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT, a déclaré : « La valeur de cette expérience est ce qu’elle nous apprend sur supraconductivité fondamentale, sur le comportement des matériaux, afin qu’avec ces leçons apprises, nous puissions essayer de concevoir des principes pour d’autres matériaux qui seraient plus faciles à fabriquer, qui pourraient peut-être vous donner une meilleure supraconductivité.

Les scientifiques voulaient déterminer si le graphène tricouche à angle magique pouvait contenir des signes de cette supraconductivité à triplet de spin plus inhabituelle. Le groupe a réalisé un travail de pionnier dans l’investigation de graphène structures moirées – des couches de réseaux de carbone très fins qui peuvent donner lieu à des comportements électroniques surprenants lorsqu’elles sont empilées à des points explicites.

Au début, les scientifiques ont signalé des propriétés si curieuses dans deux feuilles de graphène inclinées, appelées angle magique graphène bicouche. Ils ont rapidement suivi avec des tests de graphène tricouche. Lorsqu’un champ magnétique modeste était appliqué, le matériau présentait une supraconductivité à des intensités de champ qui détruiraient supraconductivité dans le graphène bicouche.

Jarillo-Herrero a dit, “Nous avons pensé que c’était quelque chose de très étrange.”

Les scientifiques ont ensuite testé la supraconductivité du matériau dans des conditions de plus en plus élevées champs magnétiques. Pour cela, ils ont créé 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 un côté du matériau pour faire passer un courant. Dans le même temps, ils ont mesuré toute énergie perdue dans le processus. Ensuite, ils ont allumé un grand aimant dans le laboratoire, avec un champ 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 très inhabituel et non connu pour se produire dans les supraconducteurs à spin unique conventionnels.

Même après avoir augmenté le champ magnétique autour du matériau, la supraconductivité est restée forte jusqu’à un certain point avant de disparaître, mais a curieusement réapparu à des intensités de champ plus élevées.

Le postdoctorant Yuan Cao au MIT a déclaré : « Dans les supraconducteurs à spin unique, si vous tuez la supraconductivité, elle ne revient jamais, c’est parti pour de bon. Ici, il est réapparu à nouveau. Cela dit donc que ce matériau n’est pas un spin-singlet.

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.

Jarillo-Herrero a dit, « L’informatique quantique classique est extrêmement fragile. Vous le regardez, et, pouf, il disparaît. Il y a une vingtaine d’années, les théoriciens proposaient un type de supraconductivité topologique ça pourrait [enable] un ordinateur quantique où les états responsables du calcul sont très robustes s’ils sont réalisés dans n’importe quel matériau. 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 super tôt. Vous le regardez, et, pouf, il disparaît. Il y a environ 20 ans, les théoriciens ont proposé un type de supraconductivité topologique qui pourrait [enable] un ordinateur quantique où les états responsables du calcul sont très robustes s’ils sont réalisés dans n’importe quel matériau. Cela donnerait infiniment plus de puissance pour faire de l’informatique.

Graphene Quantum Magic offre une nouvelle classe de matériaux supraconducteurs

Ordre nématique dans le graphène bicouche torsadé. 1 crédit

Les supraconducteurs sont des matériaux qui conduisent le courant électrique sans pratiquement aucune résistance électrique. Cette propriété les rend particulièrement attrayants pour une variété d’applications, y compris les câbles d’alimentation sans perte, les moteurs et générateurs électriques, et les électroaimants puissants qui peuvent être utilisés pour l’imagerie IRM et les trains à lévitation magnétique. Des chercheurs de l’Université de Nagoya ont maintenant détaillé les propriétés supraconductrices d’une nouvelle classe de matériau supraconducteur, la bicouche torsadée à angle magique

Le graphène est un allotrope de carbone sous la forme d’une seule couche d’atomes dans un réseau hexagonal bidimensionnel dans lequel un atome forme chaque sommet. C’est l’élément structurel de base d’autres allotropes de carbone, notamment le graphite, le charbon de bois, les nanotubes de carbone et les fullerènes. Proportionnellement à son épaisseur, il est environ 100 fois plus résistant que l’acier le plus résistant.

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De basses températures sont nécessaires pour qu’un matériau se comporte comme un supraconducteur. En effet, la plupart des matériaux n’entrent dans la phase supraconductrice qu’à des températures extrêmement basses, comme -270°C, inférieures à la température observée dans l’espace ! Du fait qu’un tel refroidissement important nécessite un équipement de refroidissement à l’hélium liquide hautement coûteux et spécialisé, ses utilisations pratiques sont sévèrement limitées. C’est la principale raison pour laquelle les technologies supraconductrices en sont encore à leurs débuts.

Les supraconducteurs à haute température (HTS), tels que certains à base de fer et de cuivre, atteignent la phase supraconductrice au-dessus de -200°C, une température qui est plus facilement atteinte en refroidissant un dispositif avec de l’azote liquide, qui peut refroidir un système jusqu’à -195,8°C. Cependant, les applications industrielles et commerciales de HTS ont été limitées jusqu’à présent. Les matériaux HTS qui sont actuellement connus et disponibles sont des matériaux céramiques cassants qui ne peuvent pas être pliés en formes utilisables telles que des fils. De plus, ils sont notoirement difficiles et coûteux à produire. Cela rend la recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs vitale, et c’est un axe de recherche majeur pour des physiciens comme le professeur Hiroshi Kontani et le Dr Seiichiro Onari du département de physique de l’Université de Nagoya.

Récemment, un nouveau matériau a été proposé comme supraconducteur potentiel appelé graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG). Dans MATBG, deux couches de graphène, essentiellement des couches bidimensionnelles de carbone disposées dans un réseau en nid d’abeille, sont décalées d’un angle magique (environ 1,1 degré) qui conduit à la rupture de la symétrie de rotation et à la formation d’une symétrie d’ordre élevé connue sous le nom de SU(4). Lorsque la température change, le système subit des fluctuations quantiques, comme des ondulations de l’eau dans la structure atomique, qui conduisent à un nouveau changement spontané de la structure électronique et à une réduction de la symétrie. Cette rupture de symétrie de rotation est connue sous le nom d’état nématique et a été étroitement associée aux propriétés supraconductrices d’autres matériaux.

Dans leur ouvrage publié récemment dans Lettres d’examen physique, le professeur Kontani et le Dr Onari utilisent des méthodes théoriques pour mieux comprendre et mettre en lumière la source de cet état nématique dans MATBG. “Puisque nous savons que la supraconductivité à haute température peut être induite par des fluctuations nématiques dans des systèmes électroniques fortement corrélés tels que les supraconducteurs à base de fer, clarifier le mécanisme et l’origine de cet ordre nématique peut conduire à la conception et à l’émergence de supraconducteurs à plus haute température”, explique Dr Onari.

Les chercheurs ont découvert que l’ordre nématique dans MATBG provient de l’interférence entre les fluctuations d’un nouveau degré de liberté qui combine les degrés de liberté de vallée et les degrés de liberté de spin, ce qui n’a pas été signalé dans les systèmes d’électrons conventionnels fortement corrélés. La température de transition supraconductrice du graphène bicouche torsadé est très basse, à 1K (-272°C), mais l’état nématique parvient à l’augmenter de plusieurs degrés.

Leurs résultats montrent également que bien que MATBG se comporte à certains égards comme un supraconducteur à haute température à base de fer, il possède également certaines propriétés distinctes qui sont assez excitantes, comme un courant de boucle de charge net donnant lieu à un champ magnétique dans un état polarisé de vallée. , tandis que le courant de boucle est annulé par chaque vallée à l’état nématique. En outre, la malléabilité du graphène peut également jouer un rôle important dans l’augmentation des applications pratiques de ces supraconducteurs.

Avec une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents de la supraconductivité, la science et la technologie se rapprochent d’un avenir conducteur qui est en effet super.

Des physiciens voient un vortex d’électrons pour la première fois

July 10, 2022

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Bien qu’elles soient des molécules distinctes, les molécules d’eau s’écoulent collectivement sous forme de liquide, produisant des courants, des vagues, des vortex et d’autres phénomènes fluides classiques.

Ce n’est pas le cas avec l’électricité. Bien que le courant électrique soit également une construction différente de particules – dans ce cas, des électrons – les particules sont si petites que tout comportement collectif entre elles noie l’effet plus large lorsque les électrons traversent des métaux ordinaires. Mais dans certains matériaux et dans certaines conditions, cet effet s’estompe et les électrons peuvent s’affecter directement. Dans ce cas, les électrons peuvent circuler collectivement comme un liquide.

Maintenant, des physiciens du Massachusetts Institute of Technology et du Weizmann Institute of Science ont observé des électrons circulant dans des vortex, ou vortex – des caractéristiques d’écoulement de fluide que les théoriciens prédisaient être présentées par des électrons, mais cela n’avait pas été vu jusqu’à présent.

“Des tourbillons électroniques sont théoriquement attendus, mais il n’y a aucune preuve directe et la visibilité est incertaine”, a déclaré Leonid Levitov, professeur de physique au MIT. “Nous l’avons vu maintenant, et c’est une preuve évidente d’être dans ce nouveau système, où les électrons se comportent comme des liquides, et non comme des particules individuelles.”

Les observations, publiées aujourd’hui dans Nature, pourraient aider à concevoir une électronique plus efficace.

“Nous savons que lorsque les électrons se déplacent à l’état liquide, [energy] La dissipation chute, ce qui est important pour essayer de concevoir des composants électroniques à faible consommation », a déclaré Levitov. “Cette nouvelle observation est un autre pas dans cette direction.”

Levitov est co-auteur du nouveau document de recherche, avec Eli Zeldov et d’autres à l’Institut Weizmann des sciences en Israël et à l’Université du Colorado à Denver.

Lorsque l’électricité traverse la plupart des métaux et des semi-conducteurs ordinaires, le trajet du couple et des électrons dans le courant est affecté par les impuretés du matériau et les vibrations entre les atomes du matériau. Ce processus domine le comportement des électrons dans les matériaux ordinaires.

Mais les théoriciens ont émis l’hypothèse qu’en l’absence d’un tel processus classique ordinaire, les effets quantiques prendraient le dessus. Autrement dit, les électrons doivent capturer le comportement quantique exact les uns des autres et se déplacer collectivement, comme un électron liquide visqueux comme le miel. Ce comportement de type fluide se produira dans les matériaux ultra-purs et à des températures proches de zéro.

En 2017, Levitov et ses collègues de l’Université de Manchester ont signalé des signes de comportement électronique fluide dans le graphène, une feuille de carbone d’épaisseur atomique dans laquelle de minces canaux ont été gravés à plusieurs points de pression. Ils notent que le courant envoyé à travers la ligne peut traverser la résistance avec moins de résistance. Cela suggère que les électrons dans le flux sont capables de se faufiler collectivement à travers les points de pression, comme un liquide, plutôt que de se boucher, comme des grains de sable individuels.

Cette première indication a incité Levitov à explorer d’autres phénomènes électrofluidiques. Dans la nouvelle étude, lui et ses collègues de l’Institut Weizmann des sciences ont examiné la visualisation des tourbillons d’électrons. Comme ils l’ont écrit dans leur article, “les caractéristiques les plus frappantes et les plus répandues de l’écoulement uniforme des fluides, la formation de tourbillons et de turbulences, n’ont pas été observées dans les fluides électroniques malgré certaines prédictions théoriques.”

Pour visualiser les tourbillons d’électrons, l’équipe s’est penchée sur le diéthylorure de tungstène (WTe2), un composé métallique très pur qui présente d’étranges propriétés électroniques lorsqu’il est isolé sous une forme atomique unique, fine et bidimensionnelle.

“Le ditellurure de tungstène est l’un des nouveaux matériaux quantiques dans lesquels les électrons interagissent énergétiquement et se comportent comme des ondes quantiques plutôt que comme des particules”, a déclaré Levitov. “De plus, le matériau est très propre, ce qui permet un accès direct au comportement fluide.”

Les chercheurs ont synthétisé des monocristaux purs de dichlorure de tungstène et exfolié de minces flocons du matériau. Ils ont ensuite utilisé des techniques de lithographie par faisceau d’électrons et de gravure au plasma pour modéliser chaque tranche dans le canal central connecté à des espaces circulaires de chaque côté. Ils gravent le même motif sur une fine feuille d’or – un métal standard aux propriétés électroniques ordinaires et classiques.

Ils ont ensuite fait passer un courant à travers chaque échantillon à motifs à une température très basse de 4,5 K (environ -450 degrés Fahrenheit) et ont mesuré le flux de courant à des points spécifiques de chaque échantillon, à l’aide d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur à nano-balayage (SQUID) sur le pointe. . L’appareil a été développé dans le laboratoire de Zeldov et mesure les champs magnétiques avec une très grande précision. En utilisant un appareil pour scanner chaque échantillon, l’équipe a pu observer en détail comment les électrons circulent à travers les canaux à motifs de chaque matériau.

Les chercheurs ont noté que les électrons traversant les canaux à motifs de feuille d’or le faisaient sans s’inverser, même si une partie du courant traversait chaque chambre latérale avant de rejoindre le courant principal. À leur tour, les électrons traversant le dichlorure de tungstène traversent les canaux et tournent dans chaque chambre latérale, tout comme l’eau le fait lorsqu’elle est déchargée dans un récipient. Les électrons forment de minuscules tourbillons dans chaque chambre avant de refluer dans le canal principal.

“Nous avons observé un changement dans la direction du flux dans l’espace, où la direction du flux a été inversée par rapport à la voie du milieu”, a déclaré Levitov. “C’est quelque chose de vraiment incroyable, la même physique que celle trouvée dans les liquides ordinaires, mais cela se produit avec des électrons à l’échelle nanométrique. C’est une preuve évidente que les électrons existent dans des systèmes de type liquide.”

L’observation de groupe est la première visualisation directe des vortex vortex dans un courant électrique. Le résultat est une confirmation expérimentale de la nature fondamentale du comportement des électrons. Ils peuvent également fournir des indices sur la façon dont les ingénieurs peuvent concevoir des dispositifs de faible puissance qui conduisent l’électricité de manière plus flexible et avec moins d’impédance.

“Des empreintes digitales de flux d’électrons visqueux ont été rapportées dans un certain nombre d’expériences sur différents matériaux”, a déclaré Klaus Enslin, professeur de physique à l’ETH Zurich en Suisse, qui n’a pas participé à l’étude. “La prédiction théorique du flux de courant de Foucault a maintenant été confirmée expérimentalement, ajoutant une étape importante dans l’étude de ce nouveau système de transmission.”

Cette recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche, la Fondation germano-israélienne pour la recherche scientifique et le développement et la Fondation israélienne des sciences.