Des physiciens du MIT ont observé des preuves directes de supraconductivité non conventionnelle dans le graphène trilame torsadé à angle magique, révélant un gap d'énergie distinct en forme de V. Cette avancée suggère un appariement d'électrons propulsé par des interactions fortes plutôt que des vibrations de réseau. Ces résultats, publiés dans Science, pourraient ouvrir la voie à des supraconducteurs à température ambiante.
Les supraconducteurs permettent à l'électricité de circuler sans résistance, alimentant des technologies comme les scanners IRM et les accélérateurs de particules. Cependant, les versions conventionnelles nécessitent des températures extrêmement basses, limitant leur utilisation. Les chercheurs cherchent des matériaux non conventionnels qui pourraient fonctionner dans des conditions plus chaudes, révolutionnant potentiellement les réseaux énergétiques et les ordinateurs quantiques.
Dans une avancée clé, des physiciens du MIT ont étudié le graphène trilame torsadé à angle magique (MATTG), créé en empilant trois feuilles de graphène d'épaisseur atomique à un angle précis. Cette configuration modifie les propriétés du matériau, favorisant des effets quantiques. Des travaux antérieurs laissaient entrevoir une supraconductivité non conventionnelle dans le MATTG, mais la nouvelle étude fournit la confirmation la plus claire à ce jour.
L'équipe a mesuré le gap supraconducteur, qui indique la force de l'état supraconducteur. Contrairement au gap lisse et plat des supraconducteurs conventionnels, le gap du MATTG forme un V net, indiquant un mécanisme différent. « Le gap supraconducteur nous donne un indice sur le type de mécanisme qui peut mener à des choses comme des supraconducteurs à température ambiante qui bénéficieront finalement à la société humaine », déclare la co-auteure principale Shuwen Sun, étudiante de troisième cycle au Département de physique du MIT.
En utilisant un dispositif novateur combinant spectroscopie par effet tunnel et mesures de transport électrique, les chercheurs ont confirmé que le gap n'apparaît qu'à résistance nulle, marque distinctive de la supraconductivité. À mesure que les températures et les champs magnétiques changeaient, la forme en V persistait, indiquant des paires d'électrons liées solidement comme des molécules.
« Dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons de ces paires sont très éloignés les uns des autres et faiblement liés », explique la co-auteure principale Jeong Min Park, PhD '24. « Mais dans le graphène à angle magique, nous pouvions déjà voir des signes que ces paires sont très étroitement liées, presque comme une molécule. »
Cet appariement provient probablement d'interactions électroniques fortes, et non de vibrations atomiques. La découverte s'appuie sur des expériences de 2018 menées par le groupe de l'auteur principal Pablo Jarillo-Herrero, qui a lancé la twistronique – un domaine explorant les matériaux ultra-fins torsadés.
« Comprendre un supraconducteur non conventionnel très bien peut déclencher notre compréhension des autres », dit Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil and Ida Green au MIT. « Cette compréhension peut guider la conception de supraconducteurs fonctionnant à température ambiante, par exemple, ce qui est une sorte de Graal de tout le domaine. »
L'équipe prévoit d'appliquer sa technique à d'autres matériaux 2D, dans le but de découvrir de nouvelles phases quantiques et d'avancer des technologies comme les systèmes d'alimentation efficaces et l'informatique quantique. La recherche est publiée dans Science (DOI : 10.1126/science.adv8376).