Une nouvelle tournure et les secrets de la supraconductivité

L'apparition soudaine d'un supraconducteur semblait être une coïncidence, mais la nouvelle théorie et la deuxième découverte ont montré que les quasiparticules émergentes pourraient être à l'origine de cet effet.





Les Skyrmions proviennent du comportement collectif de nombreux électrons, mais se comportent comme des particules individuelles.



Depuis trois ans, les électrons jouent à des jeux pour les physiciens.



Le jeu a commencé en 2018 lorsque le laboratoire de Pablo Jarillo-Herrero a annoncé une découverte d'une décennie : lorsque les chercheurs ont empilé une couche d'atomes de carbone sur une autre, appliqué une torsion «magique» de 1,1 degré entre eux, puis refroidi les plaques atomiques pour proche du zéro absolu, alors l'échantillon est devenu un conducteur d'électrons idéal.



Comment les particules ont-elles conspiré pour glisser parfaitement à travers les feuilles de graphène? Le "moiré" kaléidoscopique créé par l'angle d'inclinaison semblait être un résultat significatif, mais personne n'en était sûr. Pour le savoir, les chercheurs ont commencé à plier et à tordre (tourner) tout matériau sur lequel ils pouvaient mettre la main.



Au début, les électrons ont joué le jeu. Une série d'expériences a montré que dans de nombreux matériaux plats, les basses températures provoquent une forte baisse de la résistance électrique. Il semblait que les conditions nécessaires à une conductivité idéale étaient déjà mieux comprises et, par conséquent, cette étape séduisante vers la révolution de l'électronique était proche.



"On avait l'impression que la supraconductivité était un peu partout", a déclaré Matthew Yankowitz , physicien de la matière condensée à l'Université de Washington, "quel que soit le système que vous avez examiné."



Mais les électrons ont soudainement «revêtu un masque de fausse modestie». Au fur et à mesure que les chercheurs ont étudié les échantillons de plus près, les cas de supraconductivité ont disparu. Dans certains matériaux, la résistance n'est pas tombée à zéro. Il y avait des résultats contradictoires dans les différents échantillons étudiés. Ce n'est que dans le graphène bicouche d'origine que les électrons se déplacent réellement sans "résistance" dans la plupart des cas.



"Nous avions tout un zoo de différents matériaux torsadés, et le graphène torsadé à deux couches était le seul supraconducteur", a déclaré Jankowitz.



Puis, le mois dernier dans deux articles publiés dans les revues "Nature" et "Science", un autre supraconducteur a été décrit, un "sandwich" de graphène à trois couches avec deux feuilles de "pain" extérieures égales et une feuille de remplissage tournée de 1,56 degrés.

La capacité incontestable de transférer des électrons de graphène torsadé à trois couches confirme que le système à deux plaques n'était pas un accident. «C'était le premier d'une famille de supraconducteurs moirés», a déclaré Jarillo-Herrero, physicien au Massachusetts Institute of Technology qui a également dirigé l'une des nouvelles expériences, et c'est le deuxième membre de la famille.





Samuel Velasco / Quanta Magazine; Source: avec l'aimable autorisation de Pablo Jarillo-Herrero





Surtout, ce deuxième «frère» a contribué à faire la lumière sur le mécanisme sous-jacent qui pourrait être responsable de la supraconductivité de ces matériaux.



Quelques mois après la découverte de 2018, un groupe de théoriciens a commencé à s'interroger sur le mécanisme qui faisait du graphène bicouche un supraconducteur. Ils soupçonnaient qu'une caractéristique géométrique particulière pourrait permettre aux électrons de tourbillonner dans des vortex exotiques qui se comportent de manière complètement nouvelle. Ce mécanisme, qui ne ressemble à aucun des (rares) circuits supraconducteurs connus, pourrait expliquer le succès de la supraconductivité du graphène bicouche, ainsi que les défaillances d'autres matériaux. Il a également prédit que le «frère» à trois couches du graphène serait également un supraconducteur.



Mais cela n'est resté qu'une théorie, du moins jusqu'à ce que les laboratoires aient pu la tester. «D'après ce que nous savons maintenant, cette direction semble passionnante», a déclaré Eslam Khalaf , un chercheur de l'Université Harvard qui a aidé à développer le modèle. "Ce n'est pas tous les jours qu'une nouvelle façon de produire la supraconductivité apparaît."

Trois miracles

Dans un monde chaotique où les frottements abondent et les particules ne restent jamais stationnaires, un phénomène aussi parfait que la supraconductivité n'a pas le droit d'exister. Cependant, des métaux communs tels que le mercure se manifestent régulièrement à basse température, comme Heike Kamerling Onnes l' a découvert accidentellement au début du XXe siècle.



Le secret est que les vibrations presque nulles absolues dans le réseau atomique d'un métal cassent les électrons libres en paires. Ces paires interagissent de manière à ce que les électrons individuels ne puissent pas interagir, formant un seul «superfluide» de mécanique quantique qui traverse le matériau sans une seule collision d'électrons avec un atome (qui génère chaleur et résistance). La théorie originale de la supraconductivité, développée en 1957, la décrivait comme une «danse» électronique sophistiquée qui peut être perturbée par tous les environnements sauf les plus idéaux. «C'est un peu un miracle qu'ils se connectent du tout, parce que les électrons se repoussent tellement», a déclaré Ashwin Vishwanath , physicien théoricien à Harvard.



En 1986, les chercheurs ont remarqué que les électrons effectuaient un deuxième miracle, cette fois dans une famille de composés de cuivre appelés cuprates. Les matériaux pourraient en quelque sorte maintenir la supraconductivité des dizaines de degrés au-dessus de la température qui sépare souvent les paires d'électrons ordinaires. Il semble y avoir un nouveau mécanisme à l'œuvre, qui est probablement lié principalement aux électrons eux-mêmes, et non à leur structure atomique.





L'équipe d'Ashwin Vishwanath a trouvé un moyen de comprendre la supraconductivité dans le graphène en étudiant sa structure géométrique. Gracieuseté d'Ashwin Vishwanath



Mais après des décennies d' études intensesLes chercheurs ne savent toujours pas exactement comment les électrons des cuprates régissent leurs capacités supraconductrices. Prédire le comportement des conglomérats électroniques implique de calculer la force brute de chaque particule l'une sur l'autre - un calcul qui croît en complexité de façon exponentielle à mesure que le nombre d'électrons augmente. Pour comprendre même la plus petite particule d'un supraconducteur, les théoriciens doivent comprendre le comportement des billions d'électrons. La simulation actuelle peut en gérer une dizaine.



Les expérimentateurs ne sont pas dans la meilleure position pour le moment. Ils peuvent faire pousser de nouveaux cristaux en échangeant un atome contre un autre et tester leurs propriétés. Mais le matériau ne révèle pas ce que font les électrons à l'intérieur. Et les chercheurs ne savent pas comment le matériau se comportera jusqu'à ce qu'ils le fabriquent. «Personne ne pouvait dire que j'allais fabriquer ce nouveau [cuprate]», a déclaré Yankowitz, «et prédire quelle serait [la température à laquelle il deviendrait un supraconducteur]. Maintenant, c'est une tâche terriblement difficile. "



Les propriétés uniques du graphène bicouche torsadé le rendaient plus transparent que les cuprates. Au lieu de créer une substance complètement nouvelle, les expérimentateurs pourraient modifier les propriétés du graphène avec juste un champ électrique, ce qui en faisait, selon de nombreux chercheurs, un «terrain de jeu» pour la supraconductivité.



«C'est un défi passionnant et une caractéristique remarquable du graphène bicouche torsadé», a déclaré Subir Sachdev , physicien de la matière condensée à Harvard. "Cela fournit un tout nouvel ensemble d'outils pour étudier le mouvement des électrons."



Il a également offert des conseils théoriques. À un angle magique de 1,1 degrés, les réseaux en nid d'abeilles de graphène sont connectés de telle manière que les électrons rapides se déplacent généralement lentement - les physiciens décrivent ce matériau comme des «bandes plates». Les électrons inertes passent plus de temps ensemble, ce qui leur donne la possibilité de s'organiser.



Mais le leadership était vague. Les électrons dans les matériaux à bandes plates peuvent communiquer de nombreuses manières, et l'appariement supraconducteur n'est que l'un d'entre eux. Les chercheurs ont empilé de nombreuses plaques atomiques à des angles magiques pour lisser les rayures, mais la foudre supraconductrice ne voulait pas être prise dans la bouteille.



Ils semblaient manquer quelque chose d'important.

Skyrmions vortex

En mars 2018, peu de temps après la découverte de la supraconductivité dans le graphène torsadé, Vishwanath et ses collègues ont tenté de démystifier l'angle magique et de comprendre ce qui pouvait retenir les électrons ensemble.



Il était impossible d'écrire une théorie qui refléterait pleinement le mouvement des électrons rebelles dans le graphène bicouche, alors les théoriciens ont commencé par imaginer des particules qui se comportaient légèrement mieux. Ils ont considéré le réseau de graphène hexagonal comme deux sous-réseaux de triangles. Lorsque les électrons se déplacent d'atome en atome, ils «sautent» généralement vers un atome sur la grille opposée. Parfois, un rebelle saute sur un atome dans la même grille.









Vishwanath et compagnie ont insisté sur le fait que les électrons changeaient toujours la grille. Ce choix a rendu mathématiquement plus propre la subdivision de la grille hexagonale en grille triangulaire. Et dans le graphène à deux couches, avec ses deux couches, une caractéristique obscure a été découverte qui est finalement devenue importante: les électrons, ainsi confinés, ont commencé à se déplacer comme s'ils étaient sous l'influence d'un champ magnétique. En particulier, les électrons d'un sous-réseau ont apparemment ressenti un champ magnétique positif, tandis que les électrons de l'autre sous-réseau ont ressenti un champ négatif. Les théoriciens n'étaient pas tout à fait conscients de cela, mais la clé d'une nouvelle théorie de la supraconductivité se trouvait juste à la surface.



Lorsque la théorie a été appliquée pour obtenir l' angle magique de 1,1 degrés en août 2018 dans le graphène bicouche, Vishwanath et ses collègues ont commencé à augmenter le nombre de couches de graphène. La théorie, qui a été initialement développée pour deux couches, s'est appliquée aux nouvelles structures beaucoup mieux que prévu. Ils ont découvert qu'ils pouvaient calculer l'angle magique pour chaque empilement de graphène successif en utilisant des relations simples qui semblaient hors de portée face à la complexité croissante de systèmes plus massifs.



«En physique de la matière condensée, vous remarquez en particulier que vous faites quelque chose de très proche de la réalité physique ou même pratique, mais de temps en temps, vous voyez ce monde le plus idéal, qui est caché derrière», a déclaré Vishwanath.



Au fur et à mesure que le groupe poursuivait ses recherches, ajoutant des détails plus réalistes à la théorie, la supraconductivité a émergé, mais d'une manière complètement nouvelle. Il est possible que non pas des paires d'électrons se soient formées, mais des flux d'électrons appelés skyrmions... Puisque le graphène bicouche se compose de deux couches, il a quatre sous-réseaux, mais ces sous-réseaux avec la même charge magnétique agissent comme un seul. Les champs magnétiques efficaces font que les électrons visitant les atomes d'une grille ont tendance à rendre la surface rugueuse, tandis que les électrons d'une autre grille ont tendance à la rendre lisse. Cette configuration peut verrouiller les électrons en place afin que le système se comporte comme un isolant. (Fait intéressant, les expériences avec les cuprates et le graphène bicouche torsadé suggèrent que les deux matériaux agissent comme des isolants juste avant de devenir supraconducteurs.)



Mais si vous perturbez l'équilibre avec une charge supplémentaire, les électrons de chaque sous-réseau peuvent prendre un motif de vortex collectif - un skyrmion - où un électron en rotation à l'épicentre d'une tempête se rend rugueux (ou le lisse), et ses voisins sont lissés. en spirale.









Bien que des milliers d'électrons puissent entrer dans le skyrmion du graphène, le vortex agit comme s'il s'agissait d'une particule avec la charge d'un électron. Vous pouvez vous attendre à ce que les skyrmions négatifs se repoussent, mais les règles de la mécanique quantique régissant la façon dont les électrons «sautent» entre deux sous-réseaux attirent en fait des skyrmions sur des grilles opposées ensemble. En d'autres termes, ils forment des paires de charges semblables à des électrons - une exigence fondamentale pour la supraconductivité.



La clé de l'histoire du skyrmion est la symétrie de rotation à 180 degrés, qui détermine le transfert d'électrons entre les sous-réseaux triangulaires. Le rectangle a la même symétrie. L'hexagone et le réseau rectangulaire ou hexagonal l'ont tous deux. Mais plier et tordre des feuilles de tout autre chose que du graphène brise cet ordre. Enfin, Viswanath et ses collègues ont pu expliquer pourquoi le zoo en treillis torsadé n'a pas réussi à devenir un supraconducteur.



«C'était le moment où tout s'est réuni», a déclaré Khalaf.

Théorie et graphène

Jarillo-Herrero pensait déjà que quelque chose de bon peut venir de trois couches. Les électrons dans les matériaux avec des bandes plates se déplacent assez lentement pour que les particules travaillent ensemble, mais la supraconductivité peut être améliorée en «dispersant» des bandes, à travers lesquelles les vapeurs se déplacent plus facilement. Pour le graphène torsadé à deux couches, le premier est caractéristique. La dernière déclaration est typique pour le graphène monocouche. Les assembler peut nous donner le meilleur des deux mondes.



Puis vint la prédiction du groupe de Vishwanath selon laquelle 1,5 degré est l'angle magique pour créer des skyrmions supraconducteurs dans trois couches de graphène.



En gardant ces arguments à l'esprit, le laboratoire de Jarillo-Herrero ainsi que le laboratoire de Philip Kimà Harvard a commencé à créer des piles de trois couches de feuilles de graphène. Les deux laboratoires ont vu tout ce que les théoriciens avaient prédit et plus encore. Laboratoire





Pablo Jarillo-Herrero





Laboratoire Philip Kim.

Source de la photo: Bryce Wickmark; Eliza Grinnell / Harvard SEAS



Si le graphène à deux couches est une plate-forme pour la supraconductivité, alors le graphène à trois couches est alors une véritable fête et festival. Les expérimentateurs peuvent non seulement affiner le nombre d'électrons dans les réseaux, mais ils peuvent également déplacer arbitrairement des électrons entre les couches à l'aide d'un second champ électrique. Grâce à cette flexibilité, les chercheurs peuvent rechercher des points sensibles supraconducteurs, donnant aux électrons l'impression de se déplacer dans un système à deux couches, un système à une seule couche ou n'importe quel nombre de systèmes hybrides.



En utilisant cette capacité de personnalisation sans précédent, les laboratoires ont confirmé que, contrairement aux autres matériaux torsadés, le graphène à trois couches passe tous les tests de supraconductivité. Ils ont également trouvé plusieurs indications indirectes selon lesquelles la supraconductivité se produit de manière inhabituelle.



Premièrement, les électrons interagissent très bien. Dans les supraconducteurs conventionnels, où des amas d'atomes apparient des électrons libres, seulement 1 électron sur 100 000 rejoint le superfluide supraconducteur. Les cuprates impliquent environ 1 électrons libres sur 30. Mais dans le système à trois niveaux, selon les chercheurs, une personne sur dix participe.



Les éléments des paires supraconductrices - qu'il s'agisse d'électrons ou de skyrmions - sont également assez proches les uns des autres. Les extrémités des paires d'électrons en aluminium surfondu sont espacées de 10 000 fois la distance moyenne entre les électrons, ce qui est comme une soupe de longs spaghettis. Et dans le graphène à trois couches, les paires de supraconducteurs se regroupent comme des macaronis, et les éléments sont également proches à la fois du «partenaire» et des «voisins».



Compte tenu de la difficulté de savoir tout ce qui se passe à l'intérieur d'un matériau au niveau subatomique, il est trop tôt pour dire que les skyrmions fournissent la supraconductivité dans le graphène multicouche. Mais pour Halaf, l'étrange comportement observé par Jarillo-Herrero et Kim converge avec les tourbillons d'électrons.



Contrairement aux paires d'électrons standard, les paires de skyrmions se lient étroitement pour produire une supraconductivité hautement efficace. Les objets composites sont également grands et rapprochés.



Et dans les métaux standards, les électrons, tombant dans un état qui suppose un choix parmi une variété d'actions possibles, conduisent à une forte supraconductivité. Mais lorsque les chercheurs ont donné ce genre de liberté aux électrons dans un système à trois couches, la supraconductivité a disparu. Selon Khalaf, cela peut être dû au fait que la liberté accrue permet aux skyrmions de s'effondrer.



«Je ne pense pas que nous puissions définitivement considérer ce supraconducteur comme non conventionnel», a déclaré Corey Dean., physicien de la matière condensée de l'Université de Columbia. Mais il a ajouté que la réaction inhabituelle à la liberté accrue "va définitivement dans la direction opposée".



Si la symétrie de rotation que Vishwanath et ses collègues ont identifiée est en effet critique pour la supraconductivité du graphène multicouche, les scientifiques des matériaux pourraient un jour utiliser ce fait pour s'orienter dans un champ de plusieurs milliards de matériaux possibles et trouver un réseau capable de retenir les électrons ensemble. par une journée chaude.



Les charges dans le graphène torsadé sont trop finement réparties à travers les cellules de moiré géantes pour la supraconductivité à des températures élevées, mais la liaison qui les maintient ensemble - qu'il s'agisse de skyrmions ou autre - semble forte. Les chercheurs espèrent qu'une étude plus approfondie du graphène torsadé et des théories expliquant ses propriétés inhabituelles expliqueront sa supraconductivité fiable et ouvriront la voie à un réseau capable d'absorber plus de chaleur.



"Si vous obtenez le même effet sur l'échelle des atomes, alors cela s'appliquera vraiment", a déclaré Sachdev. (Je l'ai omis, je l'ai résumé)