Atteindre la supraconductivité couche par couche
Nouvelle supraconductivité topologique dans des feuilles de graphène multicouches
Le graphène est un matériau étrange. Comprendre ses propriétés est à la fois une question fondamentale de la science et une voie prometteuse pour les nouvelles technologies. Une équipe de chercheurs de l'Institut autrichien des sciences et des technologies (ISTA) et de l'Institut Weizmann des sciences a étudié ce qui se passe lorsqu'ils superposent quatre feuilles de graphène et comment cela peut conduire à de nouvelles formes de supraconductivité exotique.
Un résultat des simulations de couches de graphène empilées. L'image montre la courbure dite de Berry qui confirme le caractère topologique de la supraconductivité.
Areg Ghazaryan
Imaginez une feuille de matériau d'une seule couche d'atomes d'épaisseur - moins d'un millionième de millimètre. Bien que cela puisse sembler fantastique, un tel matériau existe : il s'appelle graphène et est constitué d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille. Synthétisé pour la première fois en 2004, puis rapidement salué comme une substance aux caractéristiques merveilleuses, les scientifiques cherchent encore à le comprendre. Le post-doctorant Areg Ghazaryan et le professeur Maksym Serbyn de l'Institut autrichien des sciences et de la technologie (ISTA), ainsi que leurs collègues Tobias Holder et Erez Berg de l'Institut Weizmann des sciences en Israël, étudient le graphène depuis des années et viennent de publier leurs dernières découvertes sur ses propriétés supraconductrices dans un article de recherche publié dans la revue Physical Review B.
"Le graphène multicouche présente de nombreuses qualités prometteuses, allant d'une structure de bande largement accordable et de propriétés optiques spéciales à de nouvelles formes de supraconductivité - c'est-à-dire la capacité de conduire le courant électrique sans résistance", explique Ghazaryan. "Dans notre modèle théorique, nous poursuivons nos travaux sur le graphène multicouche et examinons les différentes dispositions possibles de différentes feuilles de graphène superposées. Là, nous avons trouvé de nouvelles possibilités pour créer une supraconductivité dite topologique." Dans leur étude, les chercheurs ont simulé sur ordinateur ce qui se passe lorsqu'on empile quelques couches de feuilles de graphène les unes sur les autres de certaines manières.
Un concours de beauté électronique
"C'est comme un grand concours de beauté entre les différentes configurations de feuilles de graphène empilées pour trouver la meilleure", ajoute Serbyn. "Nous y étudions le comportement des électrons qui se déplacent dans le graphène multicouche." Selon la façon dont les différentes couches de graphène sont décalées les unes par rapport aux autres et selon le nombre de couches, les noyaux nucléaires chargés positivement des atomes de carbone dans le réseau en nid d'abeille créent différents environnements pour les électrons qui les entourent. Les électrons chargés négativement sont attirés par les noyaux et repoussés les uns par les autres. "Nous avons commencé par étudier des modèles réalistes considérant un seul électron interagissant avec les noyaux du graphène. Une fois que nous avons trouvé une approche prometteuse, nous avons ajouté les interactions plus compliquées entre plusieurs électrons", explique M. Ghazaryan. Grâce à cette approche, les chercheurs ont confirmé l'existence de la forme exotique de supraconductivité topologique.
À la recherche des réactions de la nature
Ce type de recherche théorique jette les bases de futures expériences qui permettront de créer des systèmes de graphène simulés en laboratoire pour voir s'ils se comportent réellement comme prévu. "Notre travail aide les expérimentateurs à concevoir de nouveaux montages sans avoir à essayer toutes les configurations de couches de graphène", explique M. Ghazaryan. "Désormais, la recherche théorique va se poursuivre tandis que les expériences nous donneront un retour d'information sur la nature."
Si le graphène a lentement trouvé des applications dans la recherche et les technologies - par exemple sous forme de nanotubes de carbone - son potentiel en tant que supraconducteur topologique pour l'électricité commence tout juste à être compris. Serbyn ajoute : "Nous espérons pouvoir un jour décrire complètement ce type de matériau au niveau de la mécanique quantique, tant pour la valeur inhérente à la recherche scientifique sur les caractéristiques fondamentales de la matière que pour les nombreuses applications potentielles du graphène."
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
A. Ghazaryan, T. Holder, E. Berg, and M. Serbyn. 2023. Multilayer graphenes as a platform for interaction-driven physics and topological superconductivity. Physical Review B.
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