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Les chercheurs ont mis au point une méthode expérimentale innovante combinant deux techniques de mesure quantique. En observant simultanément le phénomène de "tunneling" électronique et la résistance électrique, ils ont pu capturer en temps réel la formation de l'état supraconducteur. Cette approche leur a permis d'identifier une signature caractéristique en forme de V dans le "gap supraconducteur", une mesure qui révèle comment les électrons s'organisent pour permettre la supraconductivité.
Les physiciens utilisent une nouvelle plateforme pour mesurer le gap supraconducteur du graphène à "angle magique". La méthode implique le "tunneling" d'électrons entre deux couches de graphène triple torsadé (en jaune) tout en mesurant l'état supraconducteur du matériau. Ces expériences montrent pour la première fois des preuves claires que le MATTG est un supraconducteur non conventionnel.
Crédit: Pablo Jarillo-Herrero, et al
Contrairement aux supraconducteurs traditionnels où le gap apparaît uniforme, cette forme en V indique un mécanisme de couplage électronique radicalement différent. Les électrons semblent s'associer de manière beaucoup plus étroite, presque comme s'ils formaient des molécules. Cette particularité montre que les interactions entre électrons, plutôt que les vibrations du réseau atomique, seraient à l'origine de la supraconductivité dans ce matériau.
Le graphène triple couche à "angle magique" est obtenu en superposant trois feuilles ultra-minces de carbone avec une torsion précise d'environ 1,1 degré. Cette configuration modifie profondément les propriétés électroniques du matériau, créant des conditions propices à l'émergence de phénomènes quantiques inhabituels. La capacité à contrôler ces propriétés par simple torsion ouvre la voie à une ingénierie fine des matériaux quantiques.
Cette découverte pourrait accélérer la recherche vers des supraconducteurs fonctionnant à température ambiante. En comprenant mieux les mécanismes non conventionnels à l'œuvre dans ces structures de graphène, les scientifiques espèrent concevoir de nouveaux matériaux utilisables pour concevoir des réseaux électriques sans perte, de l'imagerie médicale ou de l'informatique quantique.
Les chercheurs envisagent maintenant d'appliquer leur méthode à d'autres matériaux bidimensionnels, cherchant à identifier de nouveaux candidats supraconducteurs. Cette approche permet d'étudier directement comment les électrons forment des paires et interagissent avec d'autres états quantiques, offrant une fenêtre unique sur le monde microscopique des matériaux quantiques.
Le phénomène de supraconductivité
La supraconductivité représente un état particulier de la matière où la résistance électrique devient exactement nulle. Dans cet état, le courant électrique peut circuler indéfiniment sans perte d'énergie, un peu comme un fluide parfait qui s'écoulerait sans frottement.
Cet état apparaît généralement à des températures extrêmement basses, souvent proches du zéro absolu (-273°C). Les matériaux doivent être refroidis à l'aide d'hélium ou d'azote liquide, ce qui limite considérablement leurs applications pratiques malgré leur efficacité remarquable.
Le mécanisme fondamental implique la formation de "paires de Cooper", où deux électrons s'associent malgré leur répulsion naturelle. Dans les supraconducteurs conventionnels, cette association est médiée par les vibrations du réseau cristallin, tandis que dans les supraconducteurs non conventionnels, des interactions électroniques plus complexes entrent en jeu.
La découverte de nouveaux mécanismes de supraconductivité ouvre la possibilité de concevoir des matériaux fonctionnant à des températures plus élevées, ce qui révolutionnerait le transport et le stockage de l'énergie.
Le graphène et ses propriétés exceptionnelles
Le graphène est constitué d'une unique couche d'atomes de carbone disposés en réseau hexagonal, semblable à du grillage. Cette structure bidimensionnelle lui confère des propriétés électriques et mécaniques remarquables qui ont valu le prix Nobel de physique à ses découvreurs en 2010.
Matériau le plus fin connu, le graphène est également extrêmement résistant et flexible. Sa conductivité électrique exceptionnelle en fait un candidat idéal pour l'électronique de nouvelle génération et les applications énergétiques.
Lorsqu'on superpose plusieurs couches de graphène en les tordant légèrement, on observe l'apparition de propriétés quantiques surprenantes. L'angle dit "magique" d'environ 1,1 degré crée des motifs d'interférence qui modifient profondément le comportement des électrons.
Ces structures torsadées constituent une plateforme idéale pour étudier des phénomènes quantiques et explorer de nouveaux états de la matière, faisant du graphène un matériau prometteur pour la physique fondamentale et les technologies futures.