La supraconductivité s'active et se désactive dans le graphène "à angle magique".
Une impulsion électrique rapide renverse complètement les propriétés électroniques du matériau, ouvrant ainsi la voie à une électronique supraconductrice ultrarapide
En tordant et en empilant soigneusement le graphène, les physiciens du MIT ont révélé une propriété nouvelle et exotique du graphène "à angle magique" : la supraconductivité qui peut être activée et désactivée par une impulsion électrique, comme un interrupteur.
Les physiciens du MIT ont trouvé une nouvelle façon d'activer et de désactiver la supraconductivité dans le graphène à angle magique. Cette figure montre un dispositif avec deux couches de graphène au milieu (en gris foncé et en médaillon). Les couches de graphène sont prises en sandwich entre des couches de nitrure de bore (en bleu et en violet). L'angle et l'alignement de chaque couche permettent aux chercheurs d'activer et de désactiver la supraconductivité du graphène par une courte impulsion électrique.
Image courtesy of Pablo Jarillo-Herrero, Dahlia Klein, Li-Qiao Xia, and David MacNeill, et. al
Cette découverte pourrait déboucher sur des transistors supraconducteurs ultrarapides et efficaces sur le plan énergétique pour les dispositifs neuromorphiques, c'est-à-dire des appareils électroniques conçus pour fonctionner de manière similaire à l'activation et à la désactivation rapides des neurones dans le cerveau humain.
Le graphène à angle magique fait référence à un empilement très particulier de graphène, un matériau fin composé d'atomes de carbone liés selon un motif hexagonal ressemblant à un fil de fer à poules. Lorsqu'une feuille de graphène est empilée sur une deuxième feuille selon un angle "magique" précis, la structure torsadée crée un motif "moiré" légèrement décalé, ou super-réseau, capable de supporter une foule de comportements électroniques surprenants.
En 2018, Pablo Jarillo-Herrero et son groupe du MIT ont été les premiers à démontrer la présence de 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 supraconducteur, permettant aux électrons de circuler sans friction.
Cette découverte a donné naissance à la "twistronique", un domaine qui étudie comment certaines propriétés électroniques émergent de la torsion et de la superposition de matériaux bidimensionnels. Les chercheurs, dont Jarillo-Herrero, ont continué à révéler des propriétés surprenantes dans le graphène à angle magique, notamment diverses manières de faire passer le matériau d'un état électronique à un autre. Jusqu'à présent, ces "interrupteurs" se sont plutôt comportés comme des variateurs de lumière, dans la mesure où les chercheurs doivent appliquer en permanence un champ électrique ou magnétique pour activer la supraconductivité et la maintenir.
Aujourd'hui, Jarillo-Herrero et son équipe ont montré que la supraconductivité du graphène à angle magique peut être activée et maintenue avec une courte impulsion plutôt qu'avec un champ électrique continu. La clé, ont-ils découvert, est une combinaison de torsion et d'empilement.
Dans un article publié aujourd'hui dans Nature Nanotechnology, l'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 en sandwich a permis aux chercheurs d'activer et de désactiver la supraconductivité du graphène avec une courte impulsion électrique.
"Pour la grande majorité des matériaux, si vous supprimez le champ électrique, zzzzip, l'état électrique disparaît", explique Jarillo-Herrero, qui est titulaire de la chaire de physique Cecil et Ida Green au MIT. "C'est la première fois que l'on fabrique un matériau supraconducteur que l'on peut allumer et éteindre électriquement, de manière abrupte. Cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération d'électronique supraconductrice torsadée, basée sur le graphène."
Ses coauteurs du MIT sont l'auteur principal Dahlia Klein, Li-Qiao Xia et David MacNeill, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi du National Institute for Materials Science 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 ou désactivée. Cela s'est produit lorsque les feuilles de graphène ont été superposées entre deux feuilles de nitrure de bore, de sorte que la structure cristalline du graphène soit alignée sur l'une des couches de nitrure de bore. L'arrangement ressemble 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 puissant 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 constitué de graphène à angle magique - deux feuilles de graphène, dont la partie supérieure a légèrement tourné 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 l'ensemble de 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'elle a appliqué une tension de grille. Ils ont constaté, comme d'autres, que le graphène bicouche torsadé changeait d'état électronique, passant d'un état isolant à un état conducteur ou supraconducteur à certaines tensions connues.
Ce que le groupe n'avait pas prévu, c'est que chaque état électronique persistait au lieu de disparaître immédiatement une fois la tension supprimée - une propriété connue sous le nom de bistabilité. Ils ont constaté qu'à une tension donnée, les couches de graphène se transformaient en supraconducteur et le restaient, même lorsque les chercheurs supprimaient cette tension.
Cet effet bistable suggère que la supraconductivité peut être activée et désactivée par de courtes impulsions électriques plutôt que par un champ électrique continu, comme lorsqu'on actionne un interrupteur. Ce qui permet cette supraconductivité commutable n'est pas clair, mais les chercheurs pensent que cela a quelque chose à voir avec l'alignement spécial du graphène torsadé sur les deux couches de nitrure de bore, qui permet une réponse de type ferroélectrique du système. (Les matériaux ferroélectriques présentent une bistabilité dans leurs propriétés électriques).
"En faisant attention à l'empilement, on pourrait ajouter un autre bouton de réglage à la complexité croissante des dispositifs supraconducteurs à angle magique", explique M. Klein.
Pour l'instant, l'équipe considère le nouvel interrupteur supraconducteur comme un autre outil que les chercheurs peuvent prendre en compte lorsqu'ils développent des matériaux pour des appareils électroniques plus rapides, plus petits et plus efficaces sur le plan énergétique.
"Les gens essaient de construire des dispositifs électroniques qui effectuent des calculs d'une manière inspirée du cerveau", dit 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 pour que le graphène à angle magique change brusquement de supraconductivité, au-delà d'un certain seuil. Il s'agit d'une propriété essentielle pour réaliser l'informatique neuromorphique."
Cette recherche a été soutenue en partie par le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, le Bureau de la recherche de l'armée et la Fondation Gordon et Betty Moore.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Nature Nanotechnology, “Electrical switching of a bistable moiré superconductor”
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