La supraconductivité s’allume et s’éteint dans le graphène «à angle magique»

Avec quelques torsions et empilements minutieux, les physiciens du MIT ont révélé une propriété nouvelle et exotique dans le graphène “à angle magique”: la supraconductivité qui peut être activée et désactivée avec une impulsion électrique, un peu comme un interrupteur.

Cette découverte pourrait conduire à des transistors supraconducteurs ultra-rapides et économes en énergie pour les dispositifs neuromorphiques – des composants électroniques conçus pour fonctionner de manière similaire à la mise sous/hors tension rapide des neurones dans le cerveau humain.

Le graphène à angle magique fait référence à un empilement très particulier de graphène, un matériau mince comme un atome, composé d’atomes de carbone liés selon un motif hexagonal ressemblant à du grillage à poule. Lorsqu’une feuille de graphène est empilée sur une deuxième feuille à un angle “magique” précis, la structure torsadée crée un motif “moiré” légèrement décalé, ou super-réseau, capable de prendre en charge une multitude de comportements électroniques surprenants.

En 2018, Pablo Jarillo-Herrero et son groupe au MIT ont été les premiers à démontrer le graphène bicouche torsadé à angle magique. Ils ont montré que la nouvelle structure bicouche pouvait se comporter comme un isolant, un peu comme le bois, lorsqu’ils appliquaient un certain champ électrique continu. Lorsqu’ils ont augmenté le champ, l’isolant s’est soudainement transformé en un supraconducteur, permettant aux électrons de circuler sans frottement.

Cette découverte a donné naissance à la “twistronics”, un domaine qui explore comment certains propriétés électroniques émergent de la torsion et de la superposition de matériaux bidimensionnels. Des chercheurs, dont Jarillo-Herrero, ont continué à révéler des propriétés surprenantes du graphène à angle magique, notamment diverses façons de faire basculer le matériau entre différents états électroniques. Jusqu’à présent, ces “interrupteurs” ont agi davantage comme des gradateurs, en ce sens que les chercheurs doivent continuellement appliquer un champ électrique ou magnétique pour activer la supraconductivité, et la maintenir.

Maintenant, Jarillo-Herrero et son équipe ont montré que la supraconductivité dans le graphène à angle magique peut être activée et maintenue avec juste une courte impulsion plutôt qu’un champ électrique continu. La clé, ils ont trouvé était une combinaison de torsion et d’empilement.

Dans un article paru aujourd’hui dans Nanotechnologie de la naturel’équipe rapporte qu’en empilant du graphène à angle magique entre deux couches décalées de nitrure de bore – un matériau isolant bidimensionnel – l’alignement unique de la structure sandwich a permis aux chercheurs d’activer et de désactiver la supraconductivité du graphène avec un court impulsion électrique.

“Pour la grande majorité des matériaux, si vous supprimez le champ électrique, zzzzip, l’état électrique a disparu”, explique Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT. “C’est la première fois qu’un matériau supraconducteur a été fabriqué qui peut être allumé et éteint électriquement, brusquement. Cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération d’électronique supraconductrice torsadée à base de graphène.”

Ses co-auteurs du MIT sont l’auteur principal Dahlia Klein, Li-Qiao Xia et David MacNeill, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Basculer l’interrupteur

En 2019, une équipe de l’Université de Stanford a découvert que le graphène à angle magique pouvait être contraint à un état ferromagnétique. Les ferromagnétiques sont des matériaux qui conservent leurs propriétés magnétiques, même en l’absence d’un champ magnétique appliqué de l’extérieur.

Les chercheurs ont découvert que le graphène à angle magique pouvait présenter des propriétés ferromagnétiques d’une manière qui pouvait être activée et désactivée. Cela s’est produit lorsque les feuilles de graphène étaient superposées entre deux feuilles de nitrure de bore de sorte que la structure cristalline du graphène était alignée sur l’une des couches de nitrure de bore.

L’arrangement ressemblait à un sandwich au fromage dans lequel la tranche de pain supérieure et les orientations du fromage sont alignées, mais la tranche de pain inférieure est tournée à un angle aléatoire par rapport à la tranche supérieure. Le résultat a intrigué le groupe du MIT.

“Nous essayions d’obtenir un aimant plus fort en alignant les deux tranches”, explique Jarillo-Herrero. “Au lieu de cela, nous avons trouvé quelque chose de complètement différent.”

Dans leur étude actuelle, l’équipe a fabriqué un sandwich de matériaux soigneusement inclinés et empilés. Le “fromage” du sandwich était composé de graphène à angle magique – deux feuilles de graphène, la partie supérieure tournant légèrement à l’angle “magique” de 1,1 degré par rapport à la feuille inférieure. Au-dessus de cette structure, ils ont placé une couche de nitrure de bore, exactement alignée avec la feuille de graphène supérieure. Enfin, ils ont placé une deuxième couche de nitrure de bore sous toute la structure et l’ont décalée de 30 degrés par rapport à la couche supérieure de nitrure de bore.

L’équipe a ensuite mesuré la résistance électrique des couches de graphène lorsqu’elles appliquaient une tension de grille. Ils ont trouvé, comme d’autres l’ont fait, que la torsion graphène bicouche états électroniques commutés, passant d’un état isolant, conducteur à un état supraconducteur à certaines tensions connues.

Ce à quoi le groupe ne s’attendait pas, c’est que chaque état électronique persiste au lieu de disparaître immédiatement une fois la tension supprimée, une propriété connue sous le nom de bistabilité. Ils ont découvert qu’à une tension particulière, les couches de graphène se transformaient en supraconducteur et restaient supraconductrices, même lorsque les chercheurs supprimaient cette tension.

Cet effet bistable suggère que la supraconductivité peut être activée et désactivée avec de courtes impulsions électriques plutôt qu’avec un champ électrique continu, similaire à la chiquenaude d’un interrupteur. On ne sait pas ce qui permet cette supraconductivité commutable, bien que les chercheurs soupçonnent que cela a quelque chose à voir avec l’alignement spécial du graphène torsadé sur les deux couches de nitrure de bore, ce qui permet une réponse de type ferroélectrique du système. (Les matériaux ferroélectriques présentent une bistabilité dans leurs propriétés électriques.)

“En prêtant attention à l’empilement, vous pourriez ajouter un autre bouton de réglage à la complexité croissante des dispositifs supraconducteurs à angle magique”, explique Klein.

Pour l’instant, l’équipe considère le nouveau commutateur supraconducteur comme un autre outil que les chercheurs peuvent envisager lorsqu’ils développent des matériaux pour une électronique plus rapide, plus petite et plus économe en énergie.

“Les gens essaient de construire des appareils électroniques qui effectuent des calculs d’une manière inspirée par le cerveau”, explique Jarillo-Herrero. “Dans le cerveau, nous avons des neurones qui, au-delà d’un certain seuil, se déclenchent. De même, nous avons maintenant trouvé un moyen d’angle magique graphène basculer brusquement de supraconductivité, au-delà d’un certain seuil. C’est une propriété clé dans la réalisation de l’informatique neuromorphique.”

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.