Étude : Activation et désactivation de la supraconductivité dans le graphène « angle magique » | Nouvelles du MIT

Avec quelques torsions et empilements soigneux, les physiciens du MIT ont révélé une nouvelle propriété étrange dans le graphène « à angle magique »: la supraconductivité qui peut être activée et désactivée avec une impulsion électrique, comme un interrupteur.

Cette découverte pourrait conduire à des transistors ultra-rapides et économes en énergie pour les neurones – des composants électroniques conçus pour fonctionner de manière similaire à l’activation/désactivation rapide des neurones dans le cerveau humain.

Le graphène à angle magique fait référence à un empilement très spécial de graphène – un matériau mince comme un atome composé d’atomes de carbone liés dans un motif hexagonal en forme de fil de poulet. Lorsqu’une feuille de graphène est empilée sur une seconde feuille à un angle « magique » précis, la structure torsadée crée un motif « moiré » légèrement parallèle, ou super-réseau, capable de supporter un éventail 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 montrent que la nouvelle structure bicouche peut agir comme un isolant, un peu comme le bois, lorsqu’ils appliquent un champ électrique continu donné. En remontant la sphère, l’isolant s’est soudainement transformé en 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 du gauchissement et de la superposition de matériaux bidimensionnels. Des chercheurs, dont Jarillo-Herrero, ont découvert des propriétés étonnantes dans le graphène à angle magique, notamment différentes façons dont le matériau bascule entre différents états électroniques. Jusqu’à présent, ces « interrupteurs » fonctionnaient comme des gradateurs, où les chercheurs devaient continuellement appliquer un champ électrique ou magnétique pour activer la supraconductivité et la maintenir.

Maintenant, Jarilo Herrero et son équipe ont montré que la supraconductivité dans le graphène à angle magique peut être activée et maintenue avec seulement une courte impulsion plutôt qu’un champ électrique continu. Ils ont découvert que le commutateur était une combinaison de convolution et d’empilement.

dans papier Afficher aujourd’hui dans La nanotechnologie de la natureL’équipe rapporte qu’en empilant du graphène à angle magique entre deux couches équilibrées 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 disparaît », explique Jarilo 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 soudainement. Cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération d’électronique torsadée supraconductrice à base de graphène. »

Les co-auteurs du MIT sont l’auteur principal de 21 ans Dalia Klein Ph.D., l’étudiant diplômé Li Qiaoxia et l’ancien chercheur postdoctoral David McNeil, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.

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En 2019, une équipe de l’Université de Stanford a découvert que le graphène avec un angle magique peut être forcé dans un état ferromagnétique. Les ferromagnétiques sont des matériaux qui conservent leurs propriétés magnétiques, même en l’absence de champ magnétique externe.

Les chercheurs ont découvert que le graphène à angle magnétique peut présenter des propriétés ferromagnétiques d’une manière qui peut être activée et désactivée. Cela s’est produit lorsque des couches de graphène étaient prises en sandwich entre deux couches de nitrure de bore de sorte que la structure cristalline du graphène était alignée avec l’une des couches de nitrure de bore. L’agencement est similaire à un cheeseburger en ce que les directions de la tranche de pain supérieure et 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 piqué l’intérêt du groupe MIT.

« Nous essayions d’obtenir un aimant plus puissant en alignant les deux bandes », explique Jarillo Herrero. Au lieu de cela, nous avons trouvé quelque chose de complètement différent.

Dans leur étude actuelle, l’équipe a fait un sandwich de matériaux empilés soigneusement inclinés. Le « fromage » sandwich se compose de graphène à angle magique – deux feuilles de graphène, la partie supérieure légèrement tournée à l’angle « magique » de 1,1 ° par rapport à la feuille inférieure. Au-dessus de cette structure, ils ont placé une couche de nitrure de bore, parfaitement 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 l’ont découvert, que le graphène bicouche torsadé modifie les états électroniques, changeant entre les états isolant, conducteur et supraconducteur. à des tensions connues.

Ce à quoi le groupe ne s’attendait pas, c’est que chaque état électronique persistait plutôt que de disparaître immédiatement une fois la tension supprimée, une propriété connue sous le nom d’instabilité. Ils ont découvert qu’à une certaine tension, les couches de graphène devenaient supraconductrices et restaient supraconductrices, même lorsque les chercheurs supprimaient cette tension.

Cet effet démontrable indique que la supraconductivité peut être activée et désactivée avec de courtes impulsions électriques plutôt qu’avec un champ électrique continu, semblable à la pression d’un interrupteur. On ne sait pas ce qui permet cette supraconductivité commutable, bien que les chercheurs soupçonnent que cela a à voir avec l’alignement spécial du graphène torsadé avec chacune des deux couches de nitrure de bore, qui permet une réponse de type photovoltaïque du système. (Les matériaux thermoélectriques montrent une stabilité dans leurs propriétés électriques.)

« En prêtant attention à l’empilement, vous pouvez ajouter un autre bouton de réglage à la complexité croissante de la magie de l’angle, des dispositifs supraconducteurs », explique Klein.

Pour l’instant, l’équipe considère le nouveau commutateur supraconducteur comme un autre outil que les chercheurs peuvent considérer 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, après un certain seuil, se déclenchent. De même, nous avons maintenant trouvé un moyen pour que le graphène à angle magique bascule soudainement la supraconductivité, au-delà d’un certain seuil. C’est une propriété clé dans la réalisation de l’informatique neuronale. ”

Cette recherche a été financée en partie par le Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Force, le Bureau de la recherche de l’armée américaine et la Fondation Gordon et Betty Moore.