Une nouvelle théorie explique la supraconductivité dans les couches de graphène filées

Une étude menée par des chercheurs du Conseil national de la recherche espagnol (CSIC) a réussi à expliquer les aspects essentiels de la supraconductivité (la capacité de certains matériaux à conduire le courant électrique sans perte d'énergie) dans des tricouches de graphène filées, obtenues en faisant tourner trois couches de graphène à un angle très précis. Ces résultats, publiés dans la revue Nature Communications, jettent les bases d'une meilleure compréhension du fonctionnement de certains supraconducteurs non conventionnels, qui échappent encore à la communauté scientifique.

Il y a cinq ans, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) dirigés par le physicien valencien Pablo Jarillo-Herrero ont découvert qu'il était possible de modifier les propriétés électroniques du graphène en changeant l'angle de rotation entre deux de ses couches d'une manière très précise, presque magique. Le graphène, un matériau composé d'un groupement d'atomes de carbone positionnés de manière hexagonale, est ainsi devenu un supraconducteur, capable de transporter de l'électricité sans dissiper d'énergie, ce qui est très particulier.

"La supraconductivité, phénomène courant dans les métaux tels que le mercure, le lithium ou le titane lorsqu'ils sont soumis à de basses températures, peut se comprendre par l'appariement d'électrons (en paires appelées paires de Cooper) dû à l'interaction des électrons avec les vibrations ou phonons du réseau atomique. Cependant, dans les couches de graphène filé, il est prouvé que la supraconductivité ne peut être soutenue par un mécanisme aussi conventionnel, ce qui a jusqu'à présent entravé les efforts théoriques visant à trouver une explication", explique José González Carmona, chercheur du CSIC à l'Institut de la structure de la matière (IEM-CSIC).

González Carmona et Tobias Stauber, de l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), proposent aujourd'hui une construction théorique qui inclut un mécanisme non conventionnel de supraconductivité, basé sur l'interaction électron-électron elle-même, qui est dominante dans les matériaux à base de carbone tels que le graphène. Ce type d'appariement électron-électron confère une grande stabilité, car il empêche les paires de Cooper d'être détruites par certains champs magnétiques, ce qui peut se produire dans le cas de la supraconductivité conventionnelle. "L'idée que nous proposons est révolutionnaire pour ces matériaux carbonés et conduit à une supraconductivité d'un caractère particulier, appelée type Ising dans des systèmes bidimensionnels similaires", explique González Carmona.

Les scientifiques, qui ont utilisé les ressources du Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) et de la grappe de supercalculateurs Drago, installée sur le campus central du CSIC à Madrid, ont eu recours à des outils de calcul pour concevoir cette méthode très fiable et capable de décrire le nombre total d'atomes (environ 8 000 dans la cellule unitaire des tricouches filées). "Le modèle avec lequel nous avons traité les couches de graphène filé, qui nous a permis de saisir les détails au niveau atomique, a été déterminant pour trouver la clé du nouveau mécanisme de supraconductivité que nous proposons", déclare Stauber.

Vers des supraconducteurs à température ambiante

Dès que la découverte de Jarillo-Herrero a été connue, la communauté scientifique a observé des similitudes entre la supraconductivité des couches de graphène filé et le comportement d'un autre type de matériau : les oxydes de cuivre supraconducteurs à haute température. "Ces matériaux ont défié toute explication théorique convaincante pendant plus de 30 ans. Dans ce cas comme dans celui du graphène, il s'agit de matériaux qui font appel à une nouvelle physique. Il est donc important de trouver la voie d'un nouveau paradigme pour englober un ensemble de systèmes où c'est l'interaction électron-électron qui dicte les propriétés, plutôt que l'interaction électron-phonon", explique M. Stauber.

À l'heure actuelle, les matériaux supraconducteurs sont encore loin d'atteindre des températures facilement accessibles, ce qui rend difficile leur mise sur le marché. C'est pourquoi les physiciens de la matière condensée cherchent toujours à atteindre la supraconductivité à température ambiante.

Notre construction théorique", déclare González Carmona, "pourrait ouvrir la voie à la compréhension d'un nouveau mécanisme de supraconductivité, qui échappe à la description conventionnelle. Cette nouvelle physique est exigée par les oxydes de cuivre, qui étaient autrefois considérés comme une possibilité d'atteindre la supraconductivité à température ambiante. Cela reste un objectif très attrayant en physique de la matière condensée, qui peut nécessiter de nouveaux paradigmes tels que celui que nous proposons dans le cadre de notre recherche.