Le graphène peut héberger plusieurs états de supraconductivité, selon une étude

Jennifer Chu

Le graphite ordinaire des mines de crayon se révèle étonnamment polyvalent à l’échelle microscopique. Dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Nature, des chercheurs du MIT rapportent qu’une certaine structure microscopique présente dans le graphite naturel peut héberger plusieurs états supraconducteurs. La supraconductivité est un état électronique de la matière dans lequel les électrons s’apparient et glissent à travers un matériau sans résistance. 

Bien qu’il existe des milliers de matériaux connus pour être supraconducteurs, il est rare qu’un seul matériau héberge plusieurs formes de supraconductivité. 

Les chercheurs ont découvert les multiples états supraconducteurs dans des exfoliations atomiquement fines de graphite, connues sous le nom de graphène. Plus précisément, le graphène est une feuille de carbone d’une épaisseur d’un atome, disposée avec précision dans un réseau microscopique. L’équipe a fait ses découvertes sur des échantillons de graphène rhomboédrique, une structure naturelle du graphite constituée d’un empilement de quatre ou cinq couches de graphène.  

Fait intéressant, les chercheurs ont découvert que plusieurs des nouveaux états supraconducteurs dans le graphène rhomboédrique peuvent persister en présence d’un champ magnétique, ce qui détruit normalement la supraconductivité. 

Et surprise supplémentaire, ces états supraconducteurs deviennent même plus forts lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique. 

Dans l’ensemble, les résultats révèlent une nouvelle famille d’états supraconducteurs non conventionnels dans un matériau apparemment simple. 

« Les gens pourraient penser qu’il s’agit d’un matériau carboné simple et ennuyeux », dit Long Ju, le professeur associé Lawrence C. and Sarah W. Biedenharn de physique au MIT. « Mais nous pouvons contrôler ce matériau en ajustant certains « boutons » expérimentaux, comme les tensions électriques. C’est ainsi qu’un matériau physique simple peut présenter autant de propriétés supraconductrices différentes. » 

On ne sait toujours pas exactement comment chacun des multiples états supraconducteurs apparaît, ni comment ils peuvent persister sous un champ magnétique, alors que normalement la supraconductivité devrait disparaître.

« D’un point de vue de la physique fondamentale, il est très exotique qu’un champ magnétique ne tue pas la supraconductivité, mais au contraire la renforce », dit Ju. « Nous avons fourni beaucoup de résultats expérimentaux et fourni la matière que les gens peuvent absorber pour essayer de comprendre ce qui se passe ici. » 

Les co-auteurs du MIT de l’étude comprennent les co-premiers auteurs Junseok Seo et Shenyong Ye, ainsi que Tonghang Han, Zhenghan Wu, Wei Xu, Jixiang Yang, Emily Aitken, Prayoga Liong, Phatthanon Pattanakanvijit, Zach Hadjri et Mingda Li. Les collaborateurs externes sont le co-premier auteur Armel Cotten et les membres du groupe de Dominik Zumbuhl à l’Université de Bâle en Suisse, ainsi que d’autres de l’Université d’État de Floride, de l’Université de Floride à Gainesville et de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon. 

Marches naturelles

Le graphène et d’autres matériaux bidimensionnels atomiquement fins peuvent présenter des propriétés électroniques, magnétiques, thermiques et physiques inattendues. Et lorsque deux ou plusieurs feuilles de graphène sont empilées et tordues avec des orientations précises, la structure à « angle magique » peut soudainement héberger des phénomènes étranges et exotiques. 

Le groupe de Ju étudie les propriétés exceptionnelles du graphène. Mais plutôt que d’empiler et de tordre artificiellement les couches, ils ont recherché des comportements intéressants dans les structures de graphène naturelles. Ces dernières années, ils ont découvert des propriétés électroniques surprenantes dans le graphène rhomboédrique. Cette configuration particulière consiste en des couches de graphène empilées les unes sur les autres, chacune légèrement décalée par rapport à la précédente, semblable aux marches d’un escalier. 

Le graphène rhomboédrique se trouve naturellement dans le graphite ordinaire. Mais pour le trouver, il faut d’abord exfolier un bloc de graphite (généralement avec du ruban adhésif), puis rechercher dans l’échantillon exfolié le motif caractéristique en forme d’escalier, que les chercheurs peuvent ensuite isoler pour des expériences ultérieures. 

En utilisant cette approche, Ju et ses collègues ont pu isoler et sonder des échantillons de graphène rhomboédrique à quatre et cinq couches. Ils ont jusqu’à présent découvert que la structure peut héberger une forme rare de supraconductivité « chirale », ainsi qu’une charge électronique fractionnaire, entre autres comportements. 

Dans le flux

Pour leur nouvelle étude, l’équipe a adopté une approche légèrement différente pour étudier le graphène rhomboédrique. Auparavant, ils « dopaient » électriquement leurs échantillons, ajoutant progressivement des électrons tout en faisant passer un courant électrique séparé dans le matériau. Ils mesuraient ensuite la tension, ou essentiellement la force qui pousse le courant à travers le matériau, et recherchaient les cas où la tension tombait à zéro, indiquant que le courant passait sans résistance.

De cette manière, l’équipe a observé la supraconductivité en ajoutant des électrons au graphène rhomboédrique. Ils se sont alors demandés : que se passerait-il s’ils faisaient le contraire et retiraient des électrons ? 

Dans leur nouvelle étude, l’équipe a cherché des signes de supraconductivité en retirant soigneusement des électrons du graphène rhomboédrique, réduisant progressivement la densité électronique du matériau, tout en appliquant un courant électrique externe séparé pour mesurer la résistance électrique. Dans ces expériences, ils ont également appliqué un champ magnétique externe dans des directions parallèles et perpendiculaires au plan du graphène. Ces expériences ont été réalisées en collaboration avec le groupe de Zumbuhl en Suisse, qui a fourni l’accès à un laboratoire où les échantillons de graphène pouvaient être exposés à des champs magnétiques élevés et à des températures ultrabasses. 

Dans ces expériences, les chercheurs ont découvert qu’à certaines densités électroniques, quatre états supraconducteurs différents émergeaient. De plus, trois des états persistaient en présence d’un champ magnétique relativement élevé. 

Normalement, les aimants détruisent la supraconductivité en rompant la liaison entre les électrons appariés qui glissent à travers le matériau.

Mais dans les expériences de Ju, l’équipe a observé trois états supraconducteurs qui ont survécu dans un champ magnétique allant jusqu’à environ 9 tesla, soit environ 180 000 fois plus fort que le champ magnétique terrestre. Dans ces cas, le champ magnétique appliqué était dans une orientation parallèle par rapport au plan du matériau. Lorsqu’ils ont basculé le champ magnétique dans une orientation perpendiculaire, ils ont découvert une autre surprise : à une certaine densité électronique, la supraconductivité non seulement persistait, mais augmentait. Le matériau était capable de continuer à supraconduire à des températures plus élevées que prévu. 

Chaque matériau supraconducteur a une température critique en dessous de laquelle les électrons peuvent conduire sans résistance, et au-dessus de laquelle la supraconductivité ne peut pas persister. Mais l’équipe a constaté qu’à une certaine densité électronique, et en présence d’un champ magnétique perpendiculaire, la supraconductivité dans le graphène rhomboédrique pouvait survivre au-delà de la température critique du matériau qui correspond à un champ magnétique nul. 

« La supraconductivité est en fait améliorée, c’est-à-dire que la température de transition passe de 55 millikelvins à probablement 90 millikelvins », explique Ju. « En même temps, le matériau peut supporter 50 ou 60% de courant supplémentaire avant que la supraconductivité ne soit détruite. Et c’est très inhabituel. »

Les chercheurs ne savent pas exactement quel comportement microscopique permet des états supraconducteurs multiples et non conventionnels, bien qu’ils proposent une idée. La supraconductivité conventionnelle apparaît lorsque des électrons s’apparient. Ces « paires de Cooper » sont constituées d’électrons de spin opposé, et l’on pense qu’un champ magnétique peut tirer les spins hors de leurs configurations opposées, ce qui a pour effet de briser la supraconductivité. 

Au lieu de cela, l’équipe propose que peut-être dans le graphène rhomboédrique, et à certaines densités électroniques, les électrons peuvent s’apparier avec des spins alignés. Tout champ magnétique tirerait toujours sur les spins, mais dans la même direction, préservant leur alignement et leur supraconductivité. 

Les chercheurs reconnaissent que cette idée nécessite beaucoup plus d’investigations, à la fois expérimentales et théoriques. Pour l’instant, ils considèrent les résultats comme une démonstration de ce que de nouveaux phénomènes exotiques peuvent émerger dans un matériau apparemment simple, avec les bonnes mesures et contrôles. 

« Nous pouvons contrôler le plus simple des produits chimiques — le carbone — et modifier structurellement le matériau, ce qui fait partie de notre amusement », déclare l’auteur principal Junseok Seo, qui est étudiant diplômé dans le groupe de Ju. « Nous ne nous contentons pas de ce que la nature nous donne, mais nous appliquons des contrôles supplémentaires pour le transformer en quelque chose que la nature ne nous donne pas, mais qui peut exister dans le même matériau. »

Ce travail a été soutenu, en partie, par l’Office of Naval Research des États-Unis. La fabrication des dispositifs a été réalisée, en partie, au MIT.nano.

Article : Family of magnetic field-boosted superconductors in rhombohedral graphene” – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT