Les effets quantiques pourraient aider à faire du graphène bicouche torsadé un supraconducteur

Selon de nouvelles expériences menées par des physiciens du The Ohio State University, L'Université du Texas à Dallas, et le Institut national de la science des matériaux au Japon. La découverte implique que les équations de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) largement utilisées pour les supraconducteurs doivent être modifiées pour des matériaux comme le tBLG qui ont des charges très lentes. Selon les chercheurs, cela pourrait également aider à fournir de nouveaux principes directeurs dans la recherche de nouveaux supraconducteurs fonctionnant à des températures plus élevées.

Le graphène est un cristal bidimensionnel d'atomes de carbone disposés en nid d'abeilles. Ce soi-disant «matériau miracle» possède de nombreuses propriétés exceptionnelles, notamment une conductivité électrique élevée lorsque les porteurs de charge (électrons et trous) traversent le réseau de carbone à des vitesses très élevées.

En 2018, des chercheurs dirigés par Pablo Jarillo-Herrero du MIT a découvert que lorsque deux de ces feuilles sont placées l'une sur l'autre avec un petit désalignement angulaire, elles forment une structure connue sous le nom de super-réseau moiré. Et lorsque l'angle de torsion entre eux atteint «l'angle magique» (théoriquement prévu) de 1.08 °, cette configuration de bicouche «torsadée» commence à montrer des propriétés telles que la supraconductivité en dessous d'une certaine température critique, T_c, - c'est-à-dire qu'il conduit l'électricité sans aucune résistance.

Sous cet angle, la façon dont les électrons se déplacent dans les deux feuillets couplés change car ils sont désormais contraints de s'organiser à la même énergie. Cela conduit à des bandes électroniques "plates", dans lesquelles les états électroniques ont exactement la même énergie malgré des impulsions différentes. Cette structure de bande plate rend les électrons sans dispersion, c'est-à-dire que leur énergie cinétique est complètement supprimée et qu'ils ne peuvent pas se déplacer dans le réseau moiré. Le résultat est que les particules ralentissent presque jusqu'à s'arrêter et se localisent à des positions spécifiques le long des feuilles couplées.

Un paradoxe de conduction

Dans le nouveau travail, les chercheurs, dirigés par Marc Bockrath ainsi que Jeanie Lau, ont montré que les électrons dans tBLG se déplacent à une vitesse aussi lente qu'environ 700–1200 m/s. Cela peut sembler rapide en termes conventionnels, mais c'est en fait un facteur 1000 plus lent que la vitesse des électrons dans le graphène monocouche.

"Cette vitesse constitue une vitesse intrinsèque pour les électrons dans tBLG et donc aussi une limite à la quantité de courant que le matériau peut transporter, qu'il soit supraconducteur ou métallique", explique Lau. "Cette vitesse lente donne lieu à un paradoxe : comment le tBLG conduit-il l'électricité, sans parler de la supraconduction, si les électrons se déplacent si lentement ?"

"La réponse est la géométrie quantique", dit-elle.

La géométrie ordinaire fait référence à la façon dont les points ou les objets sont liés dans l'espace - par exemple, à quelle distance ils sont et comment ils sont connectés. La géométrie quantique est similaire, mais décrit la nature quantique des électrons, qui ne sont pas seulement des particules mais aussi des ondes, et ont donc des fonctions d'onde, et comment ces fonctions d'onde se connectent et s'interconnectent. "Cette contribution s'avère essentielle pour permettre la supraconductivité", déclare Bockrath Monde de la physique. "Au lieu d'électrons en mouvement rapide, les riches connexions des fonctions d'onde électroniques sont importantes."

La plupart des supraconducteurs à ce jour sont décrits par la théorie BCS (du nom de ses découvreurs, Bardeen, Cooper et Schrieffer). Cette théorie explique pourquoi la plupart des éléments métalliques supraconducteurs en dessous de leur T_c: leurs électrons fermioniques s'apparient pour créer des bosons appelés paires de Cooper. Ces bosons forment un condensat cohérent en phase qui peut traverser le matériau sous forme de supercourant qui ne subit pas de diffusion, et la supraconductivité en est une conséquence.

De courtes impulsions électriques activent et désactivent la supraconductivité dans le graphène à angle magique

La théorie échoue cependant lorsqu'il s'agit d'expliquer les mécanismes derrière les supraconducteurs à haute température. En effet, le mécanisme sous-jacent à la supraconductivité à haute température est considéré comme l'un des problèmes fondamentaux non résolus en physique.

"Nos résultats montrent que les équations BCS doivent également être modifiées pour les supraconducteurs comme tBLG avec des charges très lentes", explique Lau. "Nos travaux peuvent également fournir de nouveaux principes directeurs dans la recherche de nouveaux supraconducteurs capables de fonctionner à des températures plus élevées que celles connues", ajoute Bockrath.

L'équipe va maintenant continuer à étudier tBLG pour quantifier et comprendre le rôle de la géométrie quantique en collaboration avec des théoriciens.

La recherche est détaillée dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/