Les physiciens de l’Ohio State University en ont appris davantage sur le potentiel du graphène en tant que supraconducteur de l’électricité.
Les scientifiques identifient la géométrie quantique comme cruciale pour le processus.
Les chercheurs ont produit de nouvelles preuves de la façon dont
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>graphène[{“attribute=””>graphenelorsqu’il est tordu à un angle précis, peut devenir un supraconducteur, déplaçant l’électricité sans perte d’énergie.
Dans une étude publiée le 15 février 2023, dans la revue Naturel’équipe dirigée par des physiciens de l’Ohio State University a rendu compte de sa découverte du rôle clé que joue la géométrie quantique en permettant à ce graphène torsadé de devenir un supraconducteur.
Le graphène est une simple couche d’atomes de carbone, la mine que l’on trouve dans un crayon.
En 2018, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont découvert que, dans les bonnes conditions, le graphène pouvait devenir un supraconducteur si un morceau de graphène était posé sur un autre morceau et que les couches étaient tordues à un angle spécifique – 1,08 degrés – créant une torsion. graphène bicouche.
Depuis, les scientifiques étudient ce graphène bicouche torsadé et essaient de comprendre comment fonctionne cet “angle magique”, a déclaré Marc Bockrath, professeur de physique à l’Ohio State et co-auteur du Nature papier.
“La théorie conventionnelle de la supraconductivité ne fonctionne pas dans cette situation”, a déclaré Bockrath. “Nous avons fait une série d’expériences pour comprendre pourquoi ce matériau est un supraconducteur.”
Dans un métal conventionnel, les électrons à grande vitesse sont responsables de la conductivité.
Mais le graphène bicouche torsadé a un type de structure électronique connue sous le nom de “bande plate” dans laquelle les électrons se déplacent très lentement – en fait à une vitesse qui se rapproche de zéro si l’angle est exactement à l’angle magique.
Selon la théorie conventionnelle de la supraconductivité, les électrons se déplaçant aussi lentement ne devraient pas être capables de conduire l’électricité, a déclaré la co-auteure de l’étude, Jeanie Lau, également professeur de physique à l’Ohio State.
Avec une grande précision, Haidong Tian, premier auteur de l’article et étudiant dans le groupe de recherche de Lau, a pu obtenir un dispositif si proche de l’angle magique que les électrons ont été presque arrêtés par les normes habituelles de la physique de la matière condensée. L’échantillon a néanmoins montré une supraconductivité.
« C’est un paradoxe : comment des électrons qui se déplacent si lentement peuvent-ils conduire l’électricité, sans parler de la supraconduction ? C’est très remarquable », a déclaré Lau.
Dans leurs expériences, l’équipe de recherche a démontré les vitesses lentes des électrons et a donné des mesures plus précises du mouvement des électrons que celles qui étaient disponibles auparavant.
Et ils ont également trouvé les premiers indices sur ce qui rend ce matériau graphène si spécial.
“Nous ne pouvons pas utiliser la vitesse des électrons pour expliquer le fonctionnement du graphène bicouche torsadé”, a déclaré Bockrath. “Au lieu de cela, nous avons dû utiliser la géométrie quantique.”
Comme pour tout ce qui est quantique, la géométrie quantique est complexe et non intuitive. Mais les résultats de cette étude ont à voir avec le fait qu’un électron n’est pas seulement une particule, mais aussi une onde – et a donc des fonctions d’onde.
“La géométrie des fonctions d’onde quantiques dans les bandes plates, ainsi que l’interaction entre les électrons, conduisent à la circulation du courant électrique sans dissipation dans le graphène bicouche”, a déclaré le co-auteur Mohit Randeria, professeur de physique à l’Ohio State.
« Nous avons découvert que les équations conventionnelles pouvaient expliquer peut-être 10 % du signal de supraconductivité que nous avons trouvé. Nos mesures expérimentales suggèrent que la géométrie quantique représente 90 % de ce qui en fait un supraconducteur », a déclaré Lau.
Les effets supraconducteurs de ce matériau ne peuvent être trouvés que dans des expériences à des températures extrêmement basses. L’objectif ultime est de pouvoir comprendre les facteurs qui conduisent à la supraconductivité à haute température, ce qui sera potentiellement utile dans des applications du monde réel, telles que la transmission et la communication électriques, a déclaré Bockrath.
“Cela aurait un impact énorme sur la société”, a-t-il déclaré. “C’est loin, mais cette recherche nous fait définitivement avancer pour comprendre comment cela pourrait se produire.”
Référence : “Evidence for Dirac flat band superconductivity enabled by quantum geometry” par Haidong Tian, Xueshi Gao, Yuxin Zhang, Shi Che, Tianyi Xu, Patrick Cheung, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Mohit Randeria, Fan Zhang, Chun Ning Lau et Marc W. Bockrath, 15 février 2023, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05576-2
Les groupes expérimentaux Bockrath et Lau, comprenant les étudiants diplômés Tian, Xueshi Gao, Yuxin Zhang et Shi Che, ont collaboré avec les théoriciens Randeria de l’État de l’Ohio, et Tianyi Xu, Patrick Cheung et F. Zhang de l’Université du Texas à Dallas, et avec des scientifiques de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
L’étude a été soutenue par le Department of Energy Office of Science, le Ohio State Center for Emergent Materials, la National Science Foundation MRSEC et le Army Research Office.
