MIT Confirme la Supraconductivité Non Conventionnelle dans MATTG

La supraconductivité se produit lorsque les électrons se regroupent, 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 et sans résistance.

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

Alors que les supraconducteurs conventionnels, tels que ceux faits d’aluminium, nécessitent des températures très basses, les chercheurs développent activement des matériaux qui peuvent supraconduire à des températures plus élevées, plus pratiques, une étape qui pourrait révolutionner les technologies énergétiques et quantiques.

Les chercheurs du MIT ont maintenant réalisé cette avancée. Ils ont observé un gap d’énergie en forme de V, qui pointe vers 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”, il a créé beaucoup de buzz dans le monde scientifique, avec des chercheurs découvrant de nombreux phénomènes quantiques exotiques allant de l’état isolant corrélé et de la supraconductivité non conventionnelle à la magnétisme réglable et aux phases topologiques.

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

Ils ont détecté des propriétés électroniques inhabituelles, telles que la supraconductivité, lorsque deux couches de graphène sont empilées à un angle très spécifique. Cette structure tordue est connue sous le nom de graphène à angle magique tordu en bicouche, ou MATBG.

Le graphène est une couche unique de carbone, qui n’est qu’un atome épais et a une structure en nid d’abeille. L’agencement des atomes de carbone dans un motif hexagonal ressemble à un fil de fer et présente une force, une durabilité et une capacité à conduire la chaleur et l’électricité remarquables.

Le graphène en bicouche, en revanche, est un empilement de deux couches dans lesquelles les deux réseaux sont orientés d’une manière particulière.

Dans le graphène en bicouche pur, Jarillo-Herrero et son équipe ont observé un comportement d’isolant de Mott (un phénomène dans lequel un matériau devient un isolant en raison d’une forte répulsion électron-électron, bien qu’il soit censé être un conducteur) lorsque les deux couches étaient tordues à un angle magique.

Ceci a conduit au développement de la “twistronics”, une technique prometteuse pour 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 de Harvard et de NIMS au Japon pour rendre la bicouche tordue supraconductrice en appliquant un champ électrique.

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

Il y a quelques années, des physiciens de Harvard ont empilé avec succès trois couches de graphène et les ont tordues 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 de graphène empilés en double. Étant sensible à un champ électrique appliqué de l’extérieur, il a également permis à l’équipe de régler la supraconductivité en ajustant la force du champ.

Cette expérience a aidé les scientifiques à comprendre que la supraconductivité de la structure à trois couches est due à des interactions électron-électron fortes, qui la rendent plus résistante aux températures plus élevées.

La même année, des chercheurs de Princeton ont signalé une ressemblance étrange² entre la supraconductivité du graphène à angle magique et celle des supraconducteurs à haute température.

En utilisant un microscope à effet tunnel (STM), ils ont constaté que les électrons appariés ont un moment angulaire fini. L’autre concernait le comportement d’un matériau supraconducteur qui change lorsqu’il est détruit en augmentant la température ou en appliquant un champ magnétique. Alors que les électrons se désapparent dans les supraconducteurs conventionnels, dans les supraconducteurs non conventionnels, certaines corrélations sont toujours conservées.

Le MIT Ouvre la Voie aux Supraconducteurs à Température Ambiante

La capacité des supraconducteurs à conduire l’électricité avec une résistance nulle les rend essentiels à des technologies comme les scanners d’imagerie par résonance magnétique, la transmission et le stockage d’énergie, l’informatique avancée et les accélérateurs de particules.

Mais les supraconducteurs conventionnels ne fonctionnent qu’à des températures très basses. Ils doivent donc être maintenus dans des systèmes de refroidissement spécialisés pour les aider à maintenir leur état supraconducteur.

Si ces matériaux pouvaient supraconduire à des températures plus élevées, plus accessibles, ils pourraient redéfinir les systèmes technologiques dans le monde entier. Avec cet objectif, les scientifiques du MIT étudient les supraconducteurs non conventionnels qui s’écartent du comportement traditionnel.

Récemment, les physiciens du MIT ont observé ce phénomène dans le “graphène à angle magique tordu en tricouche” (MATTG), fournissant une confirmation directe que 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 pouvons déjà voir des signes que ces paires sont très étroitement liées, presque comme une molécule. Il y avait des indices qu’il y avait quelque chose de très différent dans ce matériau.”

Alors que les études précédentes ont fourni des indices, cela n’a pas été précisément confirmé. Comme l’a noté l’étude, la compréhension de la nature de la supraconductivité dans le graphène à angle magique a été difficile, la principale difficulté étant de discerner le gap supraconducteur.

L’équipe du MIT a cependant réussi à mesurer le gap supraconducteur de MATTG, révélant la force de son état supraconducteur à différentes températures. Ce qu’ils ont trouvé était un gap dans MATTG qui était entièrement différent de celui des supraconducteurs conventionnels, suggérant que le fait que MATTG devienne supraconducteur dépend d’un mécanisme inhabituel.
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Comme l’a noté le co-auteur principal de l’étude, Shuwen Sun, un étudiant diplômé du département de physique du MIT, il n’y a pas qu’un mais plusieurs mécanismes qui peuvent conduire à la supraconductivité dans les matériaux, et c’est le gap supraconducteur qui fournit un indice sur le mécanisme particulier qui conduit aux supraconducteurs à température ambiante pour révolutionner l’énergie et la technologie.

“Lorsqu’un matériau devient supraconducteur, les électrons se déplacent ensemble par paires plutôt qu’individuellement, et il y a un gap d’énergie 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 de directement observer 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 agissent à la fois comme des ondes et comme des particules, leur permettant de “tunnel” à travers des barrières qui les arrêteraient normalement. En étudiant la facilité avec laquelle les électrons peuvent tunnel à travers un matériau, les chercheurs apprennent à quel point ils sont liés à l’intérieur de celui-ci.

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

Cette méthode seule, cependant, ne prouve pas toujours la supraconductivité d’un matériau, ce qui rend la mesure directe cruciale mais difficile. L’équipe a donc combiné la spectroscopie de tunnel avec des mesures de transport électrique, qui suivent la façon dont le courant se déplace à travers un matériau tout en surveillant sa résistance.

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

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

La forme distincte pointe vers un nouveau mécanisme sous-jacent à la supraconductivité de MATTG, qui, bien qu’inconnu, rend clair que le matériau se comporte différemment de tout supraconducteur conventionnel.

Dans la plupart des supraconducteurs, les électrons se regroupent en raison des vibrations dans le réseau atomique environnant, qui les poussent ensemble. Mais dans MATTG, Park dit que l’appariement pourrait être dû à des interactions électroniques fortes, ce qui signifie “les électrons eux-mêmes aident les uns les autres à se regrouper, formant un état supraconducteur avec une symétrie spéciale.”

La technique qui a permis à l’équipe de directement observer le gap supraconducteur, la combinaison de la spectroscopie de tunnel et des mesures de transport, sera maintenant utilisée pour étudier divers matériaux tordus et empilés.

Avec la configuration qui permet à l’équipe de “identifier et d’étudier les structures électroniques sous-jacentes de la supraconductivité et d’autres phases quantiques à mesure qu’elles se produisent, dans le même échantillon”, Park a noté que “cette vue directe peut révéler comment les électrons se regroupent et concurrencent 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 la configuration expérimentale pour étudier MATTG ainsi que d’autres matériaux 2D en détail pour trouver de nouveaux candidats prometteurs pour des technologies avancées.

“Comprendre un supraconducteur non conventionnel très bien peut déclencher notre compréhension du reste”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Jarillo-Herrero, qui est professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT. “Cette compréhension peut guider la conception de supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante, par exemple, qui est une sorte de Graal de tout le domaine.”

Le Rôle de la Géométrie Quantique dans la Fabrication d’Électrons Superfluides

Alors que la dernière découverte du MIT dans le graphène à angle magique tricouche marque un grand pas vers la compréhension de la supraconductivité non conventionnelle, des études complémentaires aident également à combler des détails clés, tels que la façon dont les paires d’électrons s’écoulent facilement dans ces matériaux.

Il est connu que les électrons dans les matériaux supraconducteurs se déplacent avec une friction nulle, mais la facilité avec laquelle les paires d’électrons peuvent s’écouler dépend de facteurs tels que leur densité. Le terme “raideur superfluide” décrit à quel point un système supraconducteur est résistant aux changements dans l’écoulement 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 de Harvard ont directement mesuré la raideur superfluide dans le graphène à angle magique⁴ pour mieux comprendre comment le matériau supraconduit.

Avec cette étude, l’objectif a été 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 raideur 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 y a une famille… qui attend d’être étudiée”.

Dans des matériaux comme MATBG, l’appariement des électrons, alias les 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 alors qu’ils n’ont pas de résistance, une certaine poussée doit encore être appliquée sous la forme d’un champ électrique pour faire bouger le courant.

“La raideur superfluide fait référence à la facilité avec laquelle ces particules peuvent se déplacer, afin de conduire la supraconductivité.“

– Co-auteur principal de l’étude, Joel Wang, chercheur au Laboratoire de recherche en électronique (RLE) du MIT

Cette raideur 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 en proportion de sa raideur superfluide.

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

Maintenant, le défi pour le faire avec un matériau extrêmement délicat comme MATBG est de l’attacher à la surface du résonateur à micro-ondes sans perturber sa douceur. Ceci signifie, faire “un contact idéalement sans perte – c’est-à-dire supraconducteur – entre les deux matériaux”, ou le signal micro-onde envoyé sera dégradé ou simplement rebondira.

Alors, l’équipe a d’abord assemblé MATBG à l’aide de techniques de fabrication standard, puis l’a enfermé entre deux feuilles isolantes de boron nitride hexagonal pour 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 MATBG, l’équipe l’a découpé très nettement, exposant un côté de la nouvelle coupe MATBG, auquel de l’aluminium a été déposé pour “faire un bon contact et former une borne en aluminium”, qui a été connecté au plus grand résonateur à micro-ondes en aluminium.

L’équipe a envoyé un signal micro-onde à travers ce résonateur, a mesuré le décalage résultant de sa fréquence de résonance et a déduit l’inductance cinétique de MATBG. Lors de la conversion de l’inductance mesurée en une valeur de raideur superfluide, l’équipe a constaté qu’elle était beaucoup plus grande que ce que les théories de supraconductivité conventionnelles auraient prédit.

“Nous avons observé une augmentation de 10 fois de la raideur superfluide par rapport aux attentes conventionnelles, avec une dépendance à la température cohérente avec ce que la théorie de la géométrie quantique prédit,” a déclaré le co-auteur principal Miuko Tanaka. “C’était un “pistolet à smoke” qui pointait vers le rôle de la géométrie quantique dans la gouvernance de la raideur superfluide dans 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 de technologies supraconductrices existantes et leur application à des utilisations réelles de réseau électrique et de la marine.

AMSC est un fournisseur de premier plan de solutions de résilience d’alimentation à l’échelle du mégawatt, notamment Gridtec, Marinetec et Windtec.

Grâce à ces solutions, la société fournit des systèmes de réseau avancés pour optimiser les performances, l’efficacité et la fiabilité du réseau, des solutions de propulsion et de gestion de l’alimentation pour améliorer la qualité et la sécurité opérationnelle, ainsi que des commandes électroniques et des systèmes pour les turbines éoliennes.