Le graphène à trois couches avec un «angle magique» pourrait être un supraconducteur rare et magnétiquement sûr


"Angle magique"  le graphène à trois couches pourrait être un supraconducteur rare et magnétiquement sûr

Les physiciens du MIT ont observé des signes d’un type de supraconductivité dans un matériau appelé «  magique » – du graphène à couches torsadé. Crédit photo : Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park, et al

Les physiciens du MIT ont observé des signes d’un type rare de supraconductivité dans un matériau connu sous le nom de graphène à trois couches à torsion magique. Dans une étude réalisée en. apparaît nature, les chercheurs rapportent que le matériau présente une supraconductivité à des champs magnétiques étonnamment élevés allant jusqu’à 10 Tesla, ce qui est trois fois plus élevé que ce que le matériau prédit pour un supraconducteur conventionnel.

Les résultats suggèrent fortement que le graphique d’angle magique à trois couches, découvert à l’origine par le même groupe, est un type très rare de supraconducteur connu sous le nom de « triplet de spin » qui est insensible aux champs magnétiques puissants. De tels supraconducteurs exotiques pourraient grandement améliorer des technologies telles que l’imagerie par résonance magnétique, qui utilise des fils supraconducteurs sous un champ magnétique pour résonner et imager les tissus biologiques. Les appareils d’IRM sont actuellement limités à des champs magnétiques de 1 à 3 Tesla. S’ils pouvaient être construits avec des supraconducteurs à triplet de spin, l’IRM fonctionner sous des champs magnétiques plus élevés pour produire des images plus nettes et plus profondes du corps humain.

La nouvelle preuve de la supraconductivité à triplet de spin dans le graphène à trois couches pourrait également aider les scientifiques à développer des supraconducteurs plus puissants pour l’informatique quantique pratique.

« La valeur de cette expérience réside dans ce qu’elle nous apprend sur la supraconductivité de base, comment les matériaux peuvent se comporter, afin que nous puissions utiliser les connaissances que nous acquérons pour essayer de développer des principes pour d’autres matériaux qui seraient plus faciles à fabriquer et qui pourraient vous donner mieux les résultats pourraient supraconductivité », déclare Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique à Cecil et Ida Green au MIT.

Ses co-auteurs sur le travail incluent le postdoctorant Yuan Cao et le doctorant Jeong Min Park au MIT, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Étrange changement

Les matériaux supraconducteurs se caractérisent par leur capacité super efficace à conduire l’électricité sans perdre d’énergie. Les électrons d’un supraconducteur se couplent à un courant électrique pour former des « paires de Cooper », qui traversent ensuite le matériau sans résistance, comme les passagers d’un train express.

Dans la plupart des supraconducteurs, ces paires de passagers ont des spins opposés, avec un électron tournant vers le haut et l’autre tournant vers le bas – une configuration connue sous le nom de « singulet de spin ». Ces couples parcourent joyeusement un supraconducteur, sauf sous de forts champs magnétiques qui peuvent déplacer l’énergie de chaque électron dans des directions opposées et séparer le couple. De cette manière et grâce à des mécanismes, des champs magnétiques élevés peuvent faire dérailler la supraconductivité dans les supraconducteurs singulet de spin conventionnels.

« C’est la raison ultime pour laquelle la supraconductivité disparaît dans un champ magnétique suffisamment grand », explique Park.

Mais il existe une poignée de supraconducteurs exotiques qui sont insensibles aux champs magnétiques jusqu’à de très grandes puissances. Ces matériaux sont supraconducteurs par des paires d’électrons de même spin – une propriété connue sous le nom de « spin triplet ». Dans le cas de champs magnétiques élevés, l’énergie des deux électrons d’une paire de Cooper se déplace dans la même direction, de sorte qu’ils ne sont pas séparés, mais transmettent plutôt des supraconducteurs sans être perturbés, quelle que soit l’intensité du champ magnétique.

Le groupe de Jarillo-Herrero était curieux de voir si le graphène à trois couches à angle magique pouvait montrer des signes de cette supraconductivité à triplet de spin plus inhabituelle. L’équipe a été pionnière dans l’étude des structures moirées du graphène – des couches de réseaux de carbone très fins qui, lorsqu’elles sont empilées à des angles spécifiques, peuvent conduire à des comportements électroniques surprenants.

Les chercheurs ont d’abord signalé ces propriétés étranges dans deux couches de graphène inclinées, qu’ils ont appelées graphène bicouche à angle magique. Ils ont rapidement emboîté le pas avec des tests sur du graphène à trois couches, une configuration en sandwich de trois couches de graphène qui s’est avérée encore plus résistante que son homologue à deux couches et a conservé la supraconductivité à des températures plus élevées. Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique modeste, ils ont découvert que le graphène à trois couches était supraconducteur à des intensités de champ qui détruiraient la supraconductivité dans le graphène à deux couches.

« Nous avons pensé que c’était quelque chose de très étrange », explique Jarillo-Herrero.

Un super retour

Dans leur nouvelle étude, les physiciens ont testé la supraconductivité du graphène à trois couches sous des champs magnétiques de plus en plus élevés. Ils ont fabriqué le matériau en épluchant des couches de carbone minces atomiques à partir d’un bloc de graphite, en empilant trois couches les unes sur les autres et en faisant pivoter la couche intermédiaire de 1,56 degrés par rapport aux couches externes. Ils ont attaché une électrode aux deux extrémités du matériau pour faire passer un courant et mesurer l’énergie perdue au cours du processus. Ensuite, ils ont allumé un grand aimant dans le laboratoire, dont ils ont aligné le champ parallèlement au matériau.

Alors qu’ils augmentaient le champ magnétique avec du graphène à trois couches, ils ont observé que la supraconductivité restait forte jusqu’à un certain point avant de disparaître, mais ensuite, assez curieusement, réapparaissait à des intensités de champ plus élevées – un retour très inhabituel et avec les supraconducteurs à spin singulet conventionnels. n’est pas connu.

« Si vous détruisez la supraconductivité dans les supraconducteurs singulet de spin, elle ne revient jamais – elle est partie pour toujours », explique Cao. « Ici, il est réapparu. Cela dit donc que ce matériau n’est pas un maillot de corps. »

Ils ont également observé qu’après la « rentrée », la supraconductivité durait jusqu’à 10 Tesla, l’intensité de champ maximale que l’aimant du laboratoire pouvait générer. C’est environ trois fois ce que le supraconducteur devrait supporter s’il s’agissait d’un singulet de spin conventionnel, selon la de Pauli, une théorie qui prédit le champ magnétique maximal auquel un matériau peut maintenir la supraconductivité.

La réapparition de la supraconductivité du graphène tricouche, couplée à sa persistance à des champs magnétiques plus élevés que prévu, exclut la possibilité que le matériau soit un supraconducteur ordinaire. Au lieu de cela, il s’agit probablement d’un type très rare, peut-être un triplet de spin, qui héberge des paires de Cooper qui parcourent le matériau et sont insensibles aux champs magnétiques puissants. L’équipe prévoit d’étudier le matériau pour confirmer son état de spin exact, ce qui pourrait aider à concevoir des appareils d’IRM plus puissants, ainsi que des ordinateurs quantiques plus robustes.

« L’informatique quantique ordinaire est super fragile », déclare Jarillo-Herrero. « Si vous le regardez, il disparaît, ouf. Il y a environ 20 ans, les théoriciens ont proposé un type de supraconductivité topologique qui, s’il était réalisé dans n’importe quel matériau … [enable] un ordinateur quantique dans lequel les états responsables du calcul sont très robustes. Cela donnerait infiniment plus de puissance de calcul. L’ingrédient clé pour y parvenir serait des supraconducteurs à triplet de spin d’un certain type. Nous n’avons aucune idée si notre gars est ce gars. Mais même si ce n’est pas le cas, cela pourrait faciliter la combinaison de graphène à trois couches avec d’autres matériaux pour développer ce type de supraconductivité. Cela pourrait être une grande avancée. Mais il est encore très tôt. »


Des physiciens créent une supraconductivité accordable dans un « nanosandwich » de graphène torsadé


Plus d’information:
Dépassement de limite de Pauli et supraconductivité de rentrée dans les graphes de moiré, nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-03685-y, www.nature.com/articles/s41586-021-03685-y

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: Les graphiques tricouches « à angle magique » pourraient être un supraconducteur rare et magnétiquement sûr (2021, 21 juillet), consulté le 22 juillet 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-07-magic-angle-trilayer- graphène – rarement à l’épreuve des aimants.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Sauf pour le commerce équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif seulement.

Laisser un commentaire