Des physiciens de l’EPFL et leurs collaborateurs ont directement observé et contrôlé un rare modèle de supraconductivité à double dôme dans un graphène tricouche torsadé, mettant en lumière la manière dont les états quantiques exotiques émergent et interagissent dans les matériaux artificiels.
La supraconductivité est un phénomène par lequel certains matériaux peuvent conduire l’électricité sans aucune résistance. Cela présente évidemment d’énormes avantages technologiques, ce qui fait de la supraconductivité l’un des domaines de recherche les plus intensifs au monde.
Double dôme
Mais la supraconductivité n’est pas simple. Prenons, par exemple, l’effet double dôme. Lorsque les scientifiques représentent graphiquement l’apparition de la supraconductivité dans un matériau en modifiant le nombre d’électrons qu’il contient, les zones supraconductrices du matériau apparaissent parfois sous la forme de deux « dômes » distincts sur le graphique.
En d’autres termes, le matériau devient supraconducteur, puis cesse de l’être, puis redevient supraconducteur à mesure que nous modifions sa densité électronique.
Le lien avec le graphène
La supraconductivité à double dôme a déjà été observée dans certains matériaux complexes, tels que le graphène. Le graphène est essentiellement une feuille d’atomes de carbone d’une épaisseur d’un seul atome, reliés entre eux selon un motif en nid d’abeille. Il a néanmoins transformé le domaine de la recherche sur les matériaux quantiques, car il présente des effets vraiment étranges.
Par exemple, lorsque nous empilons deux couches de graphène et que nous les tordons selon des angles spécifiques, les électrons du graphène se comportent de manière nouvelle et inattendue, créant des phases quantiques telles que le magnétisme, l’isolation électrique et, bien sûr, la supraconductivité.
Mais il existe une structure encore plus complexe du graphène qui va plus loin en ajoutant une troisième couche, rendant le système encore plus complexe et modulable : le graphène à trois couches tordu à angle magique (MATTG). Grâce au MATTG, les chercheurs peuvent désormais observer et contrôler un motif de supraconductivité à double dôme qui n’était auparavant que supposé dans les systèmes en graphène.
Supraconductivité à double dôme dans le graphène torsadé
Aujourd’hui, une équipe dirigée par Mitali Banerjee à l’EPFL, en collaboration avec des partenaires en Suisse, au Royaume-Uni et au Japon, a démontré que le MATTG permettait de contrôler directement le motif de supraconductivité à double dôme. En empilant soigneusement les couches et en ajustant le champ électrique, les chercheurs ont pu affiner le système et suivre l’apparition ou la disparition de la supraconductivité à mesure qu’ils modifiaient le nombre d’électrons.
Leurs expériences, étayées par la théorie, ont révélé que deux régions supraconductrices distinctes – les dômes – apparaissaient à mesure qu’ils modifiaient progressivement le nombre d’électrons dans le MATTG. Ces travaux mettent en lumière la manière dont la supraconductivité non conventionnelle peut être créée et contrôlée dans les matériaux 2D.
Les chercheurs ont construit des dispositifs composés de trois couches de graphène, empilées de manière à ce que celle du milieu soit tordue d’environ 1,55 degré par rapport aux autres. Ils ont placé la pile entre de fines couches de nitrure de bore hexagonal isolant, puis ont ajouté des électrodes et des grilles pour contrôler avec précision la densité électronique et appliquer un « champ de déplacement » électrique, qui a permis aux chercheurs d’ajuster le mouvement des électrons dans le matériau, rendant ainsi possible l’activation ou la désactivation de la supraconductivité.
Les scientifiques ont ensuite mesuré l’évolution de la résistance du MATTG en faisant varier la densité électronique, le champ magnétique et le courant appliqué à des températures proches du zéro absolu (100 millikelvins). Cela leur a permis de cartographier les régions où la supraconductivité apparaissait.
En ajustant le champ de déplacement, ils ont pu affiner la structure de bande du matériau (l’ensemble des règles qui déterminent comment les électrons peuvent se déplacer et se comporter à l’intérieur du matériau), ce qui leur a permis de contrôler l’apparition et la disparition du motif à double dôme.
L’équipe a observé que la supraconductivité dans le graphène tricouche torsadé ne forme pas une seule région lisse, mais se divise en deux dômes distincts lorsque la densité électronique est ajustée. Entre les dômes, la supraconductivité est fortement supprimée, ce qui indique une possible concurrence ou un changement dans le mécanisme d’appariement sous-jacent.
Chaque dôme présentait des caractéristiques uniques : un côté montrait un passage plus net et plus soudain à l’état supraconducteur, et les mesures ont révélé une sorte de « mémoire » dans la façon dont le matériau réagissait au courant électrique : sa réaction à l’augmentation du courant n’était pas la même que sa réaction à la diminution du courant. L’autre dôme présentait une transition plus douce et plus lente vers la supraconductivité, sans signe de « mémoire ».
Les chercheurs ont développé un travail théorique (calculs Hartree-Fock) pour interpréter leurs résultats expérimentaux, montrant que des changements subtils dans la façon dont les électrons s’organisent, qui sont façonnés à la fois par les interactions et le champ de déplacement appliqué, déterminent où la supraconductivité est favorisée. Les données indiquent différents types d’appariement d’électrons dans les deux dômes, peut-être liés à des changements dans « l’ordre » électronique du système.
L’étude met en évidence le MATTG comme le premier système où la supraconductivité à double dôme peut être directement contrôlée par un champ électrique. Elle offre une nouvelle façon d’étudier comment la supraconductivité non conventionnelle apparaît et comment elle peut être ajustée, ouvrant ainsi des possibilités pour la conception de dispositifs quantiques ou l’exploration de nouveaux états de la matière dans les matériaux artificiels.
Zekang Zhou, Jin Jiang, Paritosh Karnatak, Ziwei Wang, Glenn Wagner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger, S. A. Parameswaran, Steven H. Simon, Mitali Banerjee. Gate-tunable Double-dome Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene. Nature Physics 30 September 2025: DOI: 10.1038/s41567-025-03040-2
Source : EPFL
