Le MIT confirme la supraconductivité non conventionnelle dans le MATTG

La supraconductivité se produit lorsque les électrons s’apparient, plutôt que de se disperser comme ils le font dans les conducteurs normaux ou les matériaux du quotidien. Ces électrons appariés sont appelés « paires de Cooper », ce qui crée un flux de courant parfait, sans résistance.

Cette propriété remarquable est observée dans les supraconducteurs lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une « température critique » spécifique. En plus de permettre à un courant de circuler indéfiniment sans perte d’énergie, ces matériaux expulsent également les champs magnétiques, ce qui leur permet de léviter.

Alors que les supraconducteurs conventionnels, comme ceux en aluminium, nécessitent des températures très basses, les chercheurs développent activement des matériaux capables de supraconduire à des températures plus élevées et plus pratiques, une avancée qui pourrait révolutionner les technologies de l’énergie et du quantique.

Des chercheurs du MIT ont maintenant réalisé cette percée. Ils ont observé un gap énergétique en forme de V distinctif, ce qui indique une supraconductivité non conventionnelle dans le graphène à angle magique, marquant une avancée importante vers les supraconducteurs à température ambiante.

Graphène à angle magique & « Twistronics » : comment la rotation des couches modifie la physique

Depuis la découverte du « graphène à angle magique », cela a suscité beaucoup d’engouement dans le monde scientifique, les chercheurs découvrant une myriade de phénomènes quantiques exotiques allant des états isolants corrélés et de la supraconductivité non conventionnelle au magnétisme réglable et aux phases topologiques.

En 2018, une équipe de physiciens du MIT, dirigée par Pablo Jarillo‑Herrero, a créé et observé pour la première fois les effets du graphène à angle magique.

Ils ont détecté des propriétés électroniques inhabituelles, comme la supraconductivité, lorsque deux couches de graphène sont empilées à un angle très précis. Cette structure torsadée est connue sous le nom de graphène bilayer à angle magique, ou MATBG.

Le graphène est une couche unique de carbone, d’une épaisseur d’un atome seulement, et possède un réseau en nid d’abeille. L’agencement des atomes de carbone en motif hexagonal ressemble à du fil de poulet et présente une résistance, une durabilité remarquables ainsi que la capacité de conduire la chaleur et l’électricité.

Le graphène bilayer, quant à lui, est un empilement de deux couches dont les deux réseaux sont orientés d’une manière particulière.

Dans le graphène bilayer pur, Jarillo‑Herrero et ses coéquipiers ont observé un comportement d’isolant de Mott (un phénomène où un matériau devient isolant en raison d’une forte répulsion électron‑électron, bien qu’on s’attende à ce qu’il conduise) lorsque les deux couches étaient torsadées à un angle magique.

Cela a conduit au développement de la « twistronics », une nouvelle technique prometteuse permettant d’ajuster les propriétés électroniques du graphène en faisant pivoter les couches adjacentes du matériau.

La méthode a ensuite été utilisée par une équipe de chercheurs du MIT, de l’Université Harvard et du NIMS au Japon pour rendre le bilayer torsadé supraconducteur en appliquant un champ électrique.

Au fil du temps, de nombreux chercheurs ont étudié diverses structures de graphène multicouches, qui ont montré des signes de supraconductivité non conventionnelle.

En 2021, des physiciens de Harvard ont empilé avec succès trois couches de graphène et les ont torsadées à l’angle magique pour produire un système à trois couches qui présente une supraconductivité robuste¹ à des températures plus élevées que de nombreux systèmes à double couche de graphène. Étant sensible à un champ électrique appliqué extérieurement, cela a également permis à l’équipe d’ajuster la supraconductivité en modifiant l’intensité du champ.

Cette expérience a aidé les scientifiques à comprendre que la supraconductivité de la structure trilayer provient de fortes interactions électron‑électron, ce qui la rend plus résiliente à des températures plus élevées.

La même année, des chercheurs de Princeton ont signalé une ressemblance troublante² entre la supraconductivité du graphène magique et celle des supraconducteurs à haute température.

En utilisant un microscope à effet tunnel (STM), ils ont découvert que les électrons appariés possèdent un moment angulaire fini. L’autre s’est penché sur la façon dont le comportement d’un matériau supraconducteur change lorsque l’état supraconducteur est éteint en augmentant la température ou en appliquant un champ magnétique. Alors que les électrons se désapparient dans les supraconducteurs conventionnels, dans les supraconducteurs non conventionnels, une certaine corrélation demeure.

Le MIT ouvre la voie aux supraconducteurs à température ambiante

La capacité des supraconducteurs à conduire l’électricité sans résistance les rend essentiels pour des technologies telles que les scanners IRM, la transmission et le stockage d’énergie, l’informatique avancée et les accélérateurs de particules.

Cependant, les supraconducteurs conventionnels ne fonctionnent qu’à des températures très froides. Ainsi, ils doivent être maintenus dans des systèmes de refroidissement spécialisés pour conserver leur état supraconducteur.

Si ces matériaux pouvaient supraconduire à des températures plus élevées et plus accessibles, ils pourraient redéfinir les systèmes technologiques à l’échelle mondiale. Dans cette optique, les scientifiques du MIT étudient des supraconducteurs non conventionnels qui s’écartent du comportement traditionnel.

Récemment, des physiciens du MIT ont observé ce phénomène dans le graphène trilayer à angle magique (MATTG), fournissant une confirmation directe que le MATTG peut héberger une supraconductivité non conventionnelle³.

Comme l’a noté Jeong Min Park, co‑auteur principal de l’étude, dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons des « paires de Cooper » sont très éloignés les uns des autres et faiblement liés, contrairement au graphène à angle magique, où « nous pouvions déjà voir des signes que ces paires sont très fortement liées, presque comme une molécule. Il y avait des indices indiquant que ce matériau était très différent ».

Bien que des études antérieures aient fourni des indices, cela n’avait pas été confirmé de manière précise. Comme le souligne l’étude, comprendre la nature de la supraconductivité dans le graphène à angle magique a été difficile, la principale difficulté résidant dans la détection du gap supraconducteur.

L’équipe du MIT, cependant, a mesuré avec succès le gap supraconducteur du MATTG, révélant la force de son état supraconducteur à différentes températures. Ce qu’ils ont trouvé était un gap dans le MATTG totalement différent de celui des supraconducteurs conventionnels, suggérant que la supraconductivité du MATTG dépend d’un mécanisme inhabituel.
Swipe to scroll →

Comme l’a indiqué l’auteur principal de l’étude, Shuwen Sun, doctorante au département de physique du MIT, il n’existe pas un seul mais de nombreux mécanismes différents pouvant conduire à la supraconductivité dans les matériaux, et c’est le gap supraconducteur qui fournit un indice sur le mécanisme particulier menant aux supraconducteurs à température ambiante qui pourraient révolutionner l’énergie et la technologie.

“Lorsqu’un matériau devient supraconducteur, les électrons se déplacent ensemble sous forme de paires plutôt qu’individuellement, et il existe un gap énergétique qui reflète la façon dont ils sont liés. La forme et la symétrie de ce gap nous indiquent la nature sous‑jacente de la supraconductivité.”

– Park

Pour prouver leur découverte d’un mécanisme non conventionnel, l’équipe a utilisé un système expérimental novateur qui leur permet d’observer directement comment le gap supraconducteur se forme dans les matériaux bidimensionnels (2D).

Pour cela, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de tunnel. Dans cette technique à l’échelle quantique, les électrons se comportent à la fois comme des ondes et comme des particules, leur permettant de « tunneler » à travers des barrières qui les arrêteraient normalement. En étudiant la facilité avec laquelle les électrons peuvent tunneliser à travers un matériau, les chercheurs apprennent à quel point ils sont fortement liés à l’intérieur.

Dans ce cas, l’équipe a fait tunneliser des électrons entre deux couches de MATTG afin de mesurer son état supraconducteur.

Cette méthode seule, cependant, ne prouve pas toujours la supraconductivité d’un matériau, rendant la mesure directe cruciale mais difficile. Ainsi, l’équipe a combiné la spectroscopie de tunnel avec des mesures de transport électrique, qui suivent le déplacement du courant à travers un matériau tout en surveillant sa résistance.

L’équipe a utilisé cette approche sur le MATTG et a clairement identifié le gap de tunnel supraconducteur, qui n’apparaît que lorsque le matériau atteint une résistance nulle.

En modifiant la température et le champ magnétique, ce gap a présenté une courbe nette en forme de V plutôt que le motif lisse et plat habituellement observé dans les supraconducteurs conventionnels. Selon l’étude, le gap supraconducteur à basse énergie disparaît à la température critique supraconductrice et au champ magnétique.

Cette forme distincte indique un nouveau mécanisme sous‑jacent à la supraconductivité du MATTG, qui, bien que inconnu, montre clairement que le matériau se comporte différemment de tout supraconducteur conventionnel.

Dans la plupart des supraconducteurs, les électrons s’apparient en raison des vibrations du réseau atomique environnant, qui les poussent ensemble. Mais dans le MATTG, selon Park, l’appariement pourrait être dû à de fortes interactions électroniques, ce qui signifie que « les électrons eux‑mêmes s’aident mutuellement à s’apparier, formant un état supraconducteur avec une symétrie particulière ».

La technique qui a permis à l’équipe d’observer directement le gap supraconducteur, la combinaison de la spectroscopie de tunnel et des mesures de transport, sera désormais utilisée pour étudier divers matériaux torsadés et en couches.

Avec cette configuration permettant à l’équipe « d’identifier et d’étudier les structures électroniques sous‑jacentes de la supraconductivité et d’autres phases quantiques au fur et à mesure qu’elles se produisent, dans le même échantillon », Park a noté que « cette vue directe peut révéler comment les électrons s’apparient et rivalisent avec d’autres états, ouvrant la voie à la conception et au contrôle de nouveaux supraconducteurs et matériaux quantiques qui pourraient un jour alimenter des technologies plus efficaces ou des ordinateurs quantiques ».

Ils utiliseront également cette configuration expérimentale pour étudier le MATTG ainsi que d’autres matériaux 2D de manière plus détaillée afin de trouver de nouveaux candidats prometteurs pour les technologies avancées.

« Comprendre parfaitement un supraconducteur non conventionnel peut déclencher notre compréhension du reste », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Jarillo‑Herrero, professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT. « Cette compréhension pourrait guider la conception de supraconducteurs fonctionnant à température ambiante, par exemple, ce qui est en quelque sorte le Saint Graal de tout le domaine. »

Le rôle de la géométrie quantique dans la création d’un superfluide d’électrons

Alors que la dernière découverte du MIT dans le graphène trilayer à angle magique représente un grand pas vers la compréhension de la supraconductivité non conventionnelle, des études complémentaires aident également à combler des détails clés, comme la facilité avec laquelle les paires d’électrons circulent à travers ces matériaux.

Il est connu que les électrons dans les matériaux supraconducteurs se déplacent sans friction, mais la facilité avec laquelle les paires d’électrons peuvent circuler dépend de facteurs tels que leur densité. Le terme « rigidité superfluide » décrit la résistance d’un système supraconducteur aux changements du flux de ses paires d’électrons, ce qui en fait un indicateur clé de la supraconductivité.

Plus tôt cette année, des physiciens du MIT et de l’Université Harvard ont directement mesuré la rigidité superfluide dans le graphène à angle magique⁴ afin de mieux comprendre comment le matériau devient supraconducteur.

Avec cette étude, l’objectif était d’identifier le mécanisme responsable de la supraconductivité dans le graphène à angle magique, qui est principalement déterminé par la géométrie quantique, ou la « forme » conceptuelle des états quantiques dans un matériau.

Maintenant, pour mesurer directement la rigidité superfluide, l’équipe a développé une nouvelle technique expérimentale qui peut également être utilisée pour effectuer des mesures similaires sur d’autres matériaux supraconducteurs 2D, dont « il existe toute une famille… qui attend d’être étudiée ».

Dans des matériaux comme le MATBG, l’appariement des électrons, également appelés paires de Cooper, peut former un superfluide, ce qui signifie qu’ils pourraient se déplacer à travers un matériau comme un courant sans effort. Mais bien qu’ils n’aient aucune résistance, une poussée sous forme de champ électrique doit encore être appliquée pour faire circuler le courant.

“La rigidité superfluide fait référence à la facilité avec laquelle on peut faire bouger ces particules, afin de déclencher la supraconductivité.“

– Co‑auteur de l’étude Joel Wang, scientifique chercheur au Laboratoire de Recherche en Électronique (RLE)

Cette rigidité superfluide est généralement mesurée à l’aide de méthodes qui placent le matériau supraconducteur dans un résonateur à micro-ondes, un dispositif qui résonne à des fréquences micro-ondes. Dans un résonateur à micro-ondes, le matériau modifie à la fois la fréquence de résonance et l’inductance cinétique proportionnellement à sa rigidité superfluide.

Mais ces techniques ne sont compatibles qu’avec des échantillons 10 à 100 fois plus grands et plus épais que le MATBG, ce qui signifie qu’une nouvelle approche est nécessaire pour mesurer la rigidité superfluide dans les supraconducteurs atomiquement fins.

Aujourd’hui, le défi avec un matériau extrêmement délicat comme le MATBG est de le fixer à la surface du résonateur à micro-ondes sans perturber sa planéité. Cela signifie créer « un contact idéalement sans perte — c’est‑à‑dire supraconducteur — entre les deux matériaux », sinon le signal micro‑onde envoyé sera dégradé ou simplement rebondi.

Ainsi, l’équipe a d’abord assemblé le MATBG en utilisant des techniques de fabrication standard, puis l’a enfermé entre deux feuilles isolantes de nitrure de bore hexagonal afin de préserver sa structure atomique délicate et ses propriétés intrinsèques.

Le résonateur était principalement en aluminium, avec une petite quantité de MATBG ajoutée à l’extrémité. Pour contacter le MATBG, l’équipe l’a gravé très nettement, exposant un côté du MATBG fraîchement découpé, sur lequel de l’aluminium a été déposé afin de « créer un bon contact et former une connexion en aluminium », qui a ensuite été relié au plus grand résonateur à micro‑ondes en aluminium. 

L’équipe a envoyé un signal micro‑onde à travers ce résonateur, mesuré le décalage résultant de sa fréquence de résonance, et déduit l’inductance cinétique du MATBG. En convertissant l’inductance mesurée en valeur de rigidité superfluide, l’équipe a constaté qu’elle était bien plus grande que ce que les théories de la supraconductivité conventionnelle auraient prédit.

“Nous avons observé une augmentation dix fois supérieure de la rigidité superfluide par rapport aux attentes conventionnelles, avec une dépendance en température cohérente avec ce que prédit la théorie de la géométrie quantique,” a déclaré la co‑auteur Miuko Tanaka. “Cela a été une « preuve irréfutable » indiquant le rôle de la géométrie quantique dans la gouvernance de la rigidité superfluide de ce matériau bidimensionnel.“

Investir dans la technologie supraconductrice

American Superconductor Corporation (AMSC ) est une entreprise de technologie énergétique qui fabrique des systèmes supraconducteurs avancés. Elle se concentre sur la commercialisation des technologies supraconductrices existantes et leur application aux réseaux électriques et aux applications navales du monde réel.

AMSC est un fournisseur leader de solutions de résilience énergétique à l’échelle du mégawatt, incluant Gridtec, Marinetec et Windtec.

Grâce à ces solutions, l’entreprise fournit des systèmes de réseau avancés pour optimiser la performance, l’efficacité et la fiabilité du réseau, des solutions de propulsion et de gestion de l’énergie pour améliorer la qualité de l’énergie et la sécurité opérationnelle, ainsi que des contrôles électroniques et systèmes pour turbines éoliennes.