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Graphène à angle magique et supraconductivité à haute température liés


La découverte en 2018 de la supraconductivité dans deux couches de graphène à un seul atome d’épaisseur empilées à un angle précis de 1,1 degré (appelé graphène bicouche torsadé à angle « magique ») a été une grande shock pour la communauté scientifique. Depuis la découverte, les physiciens se sont demandé si la supraconductivité du graphène magique pouvait être comprise à l’aide de la théorie existante, ou si des approches fondamentalement nouvelles étaient nécessaires, telles que celles qui sont rassemblées pour comprendre le mystérieux composé céramique qui supraconducteur à haute température. Maintenant, comme le rapporte la revue Character, les chercheurs de Princeton ont réglé ce débat en montrant une étrange ressemblance entre la supraconductivité du graphène magique et celle des supraconducteurs à haute température. Le graphène magique pourrait détenir la clé pour débloquer de nouveaux mécanismes de supraconductivité, y compris la supraconductivité à haute température.

Ali Yazdani, professeur de physique de la classe de 1909 et directeur du Centre for Advanced Components de l’Université de Princeton, a dirigé la recherche. Lui et son équipe ont étudié de nombreux styles de supraconducteurs au fil des ans et ont récemment tourné leur awareness vers le graphène bicouche magique.

“Certains ont fait valoir que le graphène bicouche magique est en fait un supraconducteur ordinaire déguisé dans un matériau extraordinaire”, a déclaré Yazdani, “mais lorsque nous l’avons examiné au microscope, il présente de nombreuses caractéristiques des supraconducteurs cuprate à haute température. C’est un second de déjà vu. ”

La supraconductivité est l’un des phénomènes naturels les as well as fascinants. C’est un état dans lequel les électrons circulent librement sans aucune résistance. Les électrons sont des particules subatomiques qui portent des prices électriques négatives ils sont essentiels à notre manner de vie motor vehicle ils alimentent nos appareils électroniques quotidiens. Dans des circonstances normales, les électrons se comportent de manière erratique, sautant et se bousculant les uns contre les autres d’une manière qui est finalement inefficace et gaspille de l’énergie.

Mais sous la supraconductivité, les électrons s’apparient soudainement et commencent à circuler à l’unisson, comme une onde. Dans cet état, non seulement les électrons ne perdent pas d’énergie, mais ils présentent également de nombreuses propriétés quantiques inédites. Ces propriétés ont permis un particular nombre d’applications pratiques, y compris les aimants pour les IRM et les accélérateurs de particules ainsi que dans la fabrication de bits quantiques qui sont utilisés pour construire des ordinateurs quantiques. La supraconductivité a été découverte pour la première fois à des températures extrêmement basses dans des éléments tels que l’aluminium et le niobium. Ces dernières années, il a été trouvé proche des températures ambiantes sous une pression extraordinairement élevée, et également à des températures juste au-dessus du point d’ébullition de l’azote liquide (77 degrés Kelvin) dans les composés céramiques.

Mais tous les supraconducteurs ne sont pas créés égaux.

Les supraconducteurs constitués d’éléments purs comme l’aluminium sont ce que les chercheurs appellent conventionnels. L’état supraconducteur – où les électrons s’apparient – s’explique par ce qu’on appelle la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). C’est la description common de la supraconductivité qui existe depuis la fin des années 1950. Mais à partir de la fin des années 1980, de nouveaux supraconducteurs ont été découverts qui ne correspondaient pas à la théorie BCS. Les additionally notables parmi ces supraconducteurs « non conventionnels » sont les oxydes de cuivre en céramique (appelés cuprates) qui sont restés une énigme au cours des trente dernières années.

La découverte originale de la supraconductivité dans le graphène bicouche magique par Pablo Jarillo-Herrero et son équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a montré que le matériau start d’abord comme un isolant mais, avec une petite addition de porteurs de cost, il devient supraconducteur. L’émergence de la supraconductivité à partir d’un isolant, plutôt que d’un métal, est l’une des caractéristiques de nombreux supraconducteurs non conventionnels, notamment les cuprates.

“Ils soupçonnaient que la supraconductivité pouvait être non conventionnelle, comme les cuprates, mais ils n’avaient malheureusement pas de mesures expérimentales spécifiques de l’état supraconducteur pour étayer cette conclusion”, a déclaré Myungchul Oh, chercheur associé postdoctoral et l’un des principaux co-auteurs de le papier.

Pour étudier les propriétés supraconductrices du graphène bicouche magique, Oh et ses collègues ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour visualiser le monde infiniment petit et complexe des électrons. Ce dispositif repose sur un nouveau phénomène appelé « effet tunnel quantique », où les électrons sont canalisés entre la pointe métallique pointue du microscope et l’échantillon. Le microscope utilise ce courant tunnel plutôt que la lumière pour visualiser le monde des électrons à l’échelle atomique.

“STM est un outil parfait pour faire ce sort d’expériences”, a déclaré Kevin Nuckolls, un étudiant diplômé en physique et l’un des principaux co-auteurs de l’article. « Il existe de nombreuses mesures différentes que STM peut effectuer. Il peut accéder à des variables physiques qui sont généralement inaccessibles aux autres.”

Lorsque l’équipe a analysé les données, elle a remarqué deux caractéristiques majeures, ou “signatures”, qui se sont démarquées, leur indiquant que l’échantillon de graphène bicouche magique présentait une supraconductivité non conventionnelle. La première signature était que les électrons appariés qui supraconducteurs ont un second angulaire fini, un comportement analogue à celui trouvé dans les cuprates à haute température il y a vingt ans. Lorsque des paires se forment dans un supraconducteur conventionnel, elles n’ont pas de minute angulaire web, d’une manière analogue à un électron lié à l’atome d’hydrogène dans l’orbitale s de l’hydrogène.

STM fonctionne en tunnelant des électrons dans et hors de l’échantillon. Dans un supraconducteur, où tous les électrons sont appariés, le courant entre l’échantillon et la pointe STM n’est achievable que lorsque les paires du supraconducteur sont séparées. “Il faut de l’énergie pour séparer la paire, et la dépendance énergétique de ce courant dépend de la nature de l’appariement. Dans le graphène magique, nous avons trouvé la dépendance énergétique attendue pour l’appariement à impulsion finie”, a déclaré Yazdani. “Cette découverte limite fortement le mécanisme microscopique d’appariement dans le graphène magique.”

L’équipe de Princeton a également découvert comment le graphène bicouche magique se comporte lorsque l’état supraconducteur est éteint en augmentant la température ou en appliquant un champ magnétique. Dans les supraconducteurs conventionnels, le comportement du matériau est le même que celui d’un métal standard lorsque la supraconductivité est détruite – les électrons se désapparient. Cependant, dans les supraconducteurs non conventionnels, les électrons semblent conserver une certaine corrélation même lorsqu’ils ne sont pas supraconducteurs, une scenario qui se manifeste lorsqu’il existe à peu près une énergie seuil pour éliminer les électrons de l’échantillon. Les physiciens se réfèrent à cette énergie de seuil comme à une “pseudogap”, un comportement trouvé dans l’état non supraconducteur de nombreux supraconducteurs non conventionnels. Son origine est un mystère depuis additionally de vingt ans.

“Une possibilité est que les électrons soient encore quelque peu appariés même si l’échantillon n’est pas supraconducteur”, a déclaré Nuckolls. “Un tel état de pseudo-gap est comme un supraconducteur défaillant.”

L’autre possibilité, notée dans l’article de Mother nature, est qu’une autre forme d’état électronique collectif, qui est responsable du pseudogap, doit d’abord se former avant que la supraconductivité puisse se produire.

“Dans tous les cas, la ressemblance d’une signature expérimentale d’un peusdogap avec les cuprates ainsi que l’appariement à impulsion finie ne peuvent être qu’une coïncidence”, a déclaré Yazdani. “Ces problèmes semblent très liés.”

Les recherches futures, a déclaré Oh, consisteront à essayer de comprendre ce qui provoque l’appariement des électrons dans la supraconductivité non conventionnelle – un phénomène qui keep on de vexer les physiciens. La théorie BCS repose sur une interaction faible entre les électrons avec leur appariement rendu doable en raison de leur conversation mutuelle avec la vibration sous-jacente des ions. L’appariement des électrons dans les supraconducteurs non conventionnels, cependant, est souvent beaucoup additionally fort que dans les métaux simples, mais sa lead to – la “colle” qui les lie ensemble – n’est actuellement pas connue.

“J’espère que nos recherches aideront la communauté des physiciens à mieux comprendre la mécanique de la supraconductivité non conventionnelle”, a déclaré Oh. “Nous espérons en outre que nos recherches motiveront les physiciens expérimentaux à travailler ensemble pour découvrir la nature de ce phénomène.”