Expérience : le graphène à angle magique perd sa supraconductivité

Dans un dispositif conçu par des scientifiques de l’Institut national du graphène de l’Université de Manchester et leurs collaborateurs, un système de graphène a servi à écranter un autre système. À mesure que l’équipe augmentait la densité de porteurs dans la couche voisine, la supraconductivité du graphène à angle magique s’est affaiblie, puis a complètement disparu.

Le graphène à angle magique doit son nom à la manière dont deux feuilles de graphène sont empilées avec un décalage de rotation d’environ 1,1 degré. À cet angle, le matériau peut développer des états électroniques inhabituels, notamment la supraconductivité, lorsque les électrons s’apparient. La question centrale était de savoir ce qui provoque la formation de ces paires : les vibrations du réseau atomique, appelées phonons, ou les interactions entre les électrons eux-mêmes.

Le nouveau dispositif a été conçu pour affaiblir ces interactions entre électrons sans fusionner les deux systèmes. Ses bicouches de graphène torsadées étaient séparées de moins d’un nanomètre, tandis que les chercheurs parvenaient à contrôler les interactions à des distances aussi courtes que 0,3 nanomètre. L’augmentation de la densité de porteurs de la couche voisine a progressivement renforcé l’effet d’écran. Les mesures ont montré que la température critique supraconductrice pouvait diminuer de plus d’un ordre de grandeur, tandis que l’état isolant corrélé disparaissait dans les mêmes conditions.

Le résultat écarte une explication simplement fondée sur les phonons. Si les phonons étaient le principal moteur du phénomène, on s’attendrait à ce que l’affaiblissement des interactions entre électrons laisse la supraconductivité largement inchangée, voire la renforce légèrement. C’est l’inverse qui s’est produit. Le professeur Alexey Berdyugin, auteur correspondant de l’étude à la National University of Singapore, a déclaré que le résultat fournissait des preuves expérimentales claires du rôle moteur des fortes interactions entre électrons dans la supraconductivité de ce système. Les chercheurs ne prétendent pas avoir identifié un mécanisme d’appariement définitif ; plusieurs théories faisant intervenir des interactions électroniques collectives restent possibles.

Pour l’instant, le bénéfice concret est un outil de laboratoire plus discriminant, et non un matériau à température ambiante ou un dispositif commercial. L’étude a été menée à des températures si basses que, comme l’a souligné le professeur Sir Andre Geim, même l’hélium devient liquide. Mais en resserrant les limites concernant la manière dont la supraconductivité peut apparaître dans le graphène à angle magique, l’expérience pourrait aider les chercheurs à étudier d’autres matériaux à fortes interactions, notamment les supraconducteurs à haute température. L’étude a été publiée dans Physical Review X.