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

La découverte pourrait conduire à des systèmes ultra-rapides et économes en énergie transistor supraconducteurs pour les dispositifs neuromorphiques – électronique conçue pour fonctionner de la même manière que l’activation/désactivation 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 qui sont liés dans un motif hexagonal ressemblant à du grillage à poule. Lorsqu’une feuille de graphène est empilée sur une seconde 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 marqué un tournant dans le domaine de la « twistronique », qui explore comment certaines 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 appliquer en permanence 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, ont-ils trouvé, était une combinaison de torsion et d’empilement.

Dans un papier apparaissant 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 une courte impulsion électrique.

« Pour la grande majorité des matériaux, si vous supprimez le champ électrique, zzzzip, l’état électrique a disparu », déclare Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT. « C’est la première fois qu’un matériau supraconducteur est fabriqué qui peut être électriquement allumé et éteint, 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 PhD ’21, l’étudiant diplômé Li-Qiao Xia et l’ancien post-doctorant 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 ayant 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 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 découvert, comme d’autres, que le graphène bicouche torsadé commutait les états électroniques, changeant entre les états isolant, conducteur et supraconducteur. à certaines tensions connues.

Le groupe ne s’attendait pas à ce que chaque état électronique persiste plutôt qu’à 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 pression 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 pour que le graphène à angle magique commute brusquement la supraconductivité, au-delà d’un certain seuil. C’est une propriété clé dans la réalisation de l’informatique neuromorphique.

Écrit par Jennifer Chu

Source: Massachusetts Institute of Technology