Graphène et calcium : une nouvelle ère pour la supraconductivité ?

Les supraconducteurs, capables de conduire l’électricité sans résistance lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température critique, suscitent un intérêt croissant. Leur utilisation est cependant limitée par la nécessité de températures extrêmement basses. Les matériaux à base de graphène, grâce à leurs propriétés uniques, offrent des perspectives intéressantes pour surmonter cette contrainte.

Le graphène et ses propriétés uniques

Le graphène, une couche unique d’atomes de carbone disposés en structure hexagonale bidimensionnelle, se distingue par sa transparence optique, sa résistance mécanique et sa flexibilité. Ces caractéristiques en font un candidat prometteur pour les supraconducteurs.

Parmi les composés à base de graphène, le composé graphène-calcium (C6CaC6) se démarque par sa température critique élevée. Ce matériau est obtenu par intercalation, un processus où une couche de calcium est introduite entre deux couches de graphène.

Intercalation et supraconductivité

Le C6CaC6 est préparé en faisant croître deux couches de graphène sur un substrat de carbure de silicium (SiC), suivie d’une exposition aux atomes de calcium. Cette intercalation de calcium entre les couches de graphène peut entraîner des variations de la température critique du C6CaC6.

Une densité élevée de calcium peut conduire à la formation d’une couche métallique à l’interface de la couche inférieure de graphène et du SiC, un phénomène appelé épitaxie de confinement. Cette couche influence significativement les propriétés électroniques de la couche supérieure de graphène, notamment en donnant lieu à une singularité de van Hove (VHS), qui peut améliorer la supraconductivité du C6CaC6.

Étude expérimentale et résultats

Une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur adjoint Satoru Ichinokura du Département de Physique de l’Institut de Technologie de Tokyo, a récemment étudié l’impact de l’introduction de calcium à haute densité dans le C6CaC6. «Nous avons révélé expérimentalement que l’introduction de calcium à haute densité induit une intercalation significative à l’interface, conduisant à l’épitaxie de confinement d’une couche de calcium sous le C6CaC6, ce qui donne lieu à la VHS et améliore sa supraconductivité», explique Ichinokura.

Les chercheurs ont préparé différents échantillons de C6CaC6 avec des densités de calcium variées et ont étudié leurs propriétés électroniques. Les résultats ont montré que la couche métallique interfaciale formée entre la couche inférieure de graphène et le SiC, à des densités élevées de calcium, conduit effectivement à l’émergence de la VHS.

Mécanismes d’amélioration de la supraconductivité

Les chercheurs ont comparé les propriétés des structures de C6CaC6 avec et sans la couche interfaciale de calcium, révélant que la formation de cette couche augmente la température critique grâce à la VHS. Ils ont découvert que la VHS augmente les températures critiques par deux mécanismes : une interaction attractive indirecte entre les électrons et les phonons (particules associées aux vibrations) et une interaction attractive directe entre les électrons et les trous (espaces vacants laissés par les électrons en mouvement).

En soulignant les applications potentielles de ce matériau, Ichinokura remarque : «Le composé graphène-calcium, étant un matériau de faible dimension composé d’éléments communs, contribuera à l’intégration et à la popularisation des ordinateurs quantiques. Avec l’informatique quantique, des calculs à grande échelle et à haute vitesse de systèmes complexes seront possibles, permettant l’optimisation des systèmes énergétiques vers la neutralité carbone et améliorant considérablement l’efficacité du développement des catalyseurs et de la découverte de médicaments grâce à la simulation directe des réactions atomiques et moléculaires.»

Article : « Van Hove Singularity and Enhanced Superconductivity in Ca-intercalated Bilayer Graphene Induced by Confinement Epitaxy » – DOI: 10.1021/acsnano.4c01757