Le champ magnétique active la supraconductivité dans le graphène express
Un supraconducteur ne fait généralement pas bon ménage avec un aimant : un champ intense détruit l'état dans lequel le courant circule sans résistance. Mais dans les couches minces de carbone, c'est différent. Une équipe de physiciens a pris du graphène à six couches — six plans atomiques empilés de manière rhomboédrique — et a découvert que le champ magnétique peut non pas éteindre, mais allumer la supraconductivité.
À champ nul, ce matériau présente déjà une supraconductivité inhabituelle — chirale. Ses paires d'électrons sont enroulées dans un sens, comme un escalier en colimaçon, et la résistance varie donc selon le sens du courant. Mais lorsque les chercheurs ont appliqué un champ d'environ 0.8 tesla — à peu près comme dans un appareil d'IRM — un second régime supraconducteur est apparu. Il persiste jusqu'à 1.6 tesla et se contrôle avec trois paramètres : le champ lui-même, la densité d'électrons et le décalage électrique entre les couches.
Les mesures ont montré que ce supraconducteur activé par le champ naît d'un état magnétique particulier — un demi-métal qui est aimanté dans le sens opposé à l'état initial. Ainsi, dans un seul morceau de graphène, on a obtenu un quatuor de phases supraconductrices : quatre combinaisons différentes de spin et de vallée (un indice quantique qui rappelle la saveur des électrons). Chacune peut être sélectionnée en modifiant les paramètres externes. Les auteurs relient cela à la compétition entre deux effets : le clivage spin-vallée (semblable au mécanisme des isolants topologiques) et l'interaction des moments magnétiques avec le champ.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2607.06520
Chiral superconductors break orbital time-reversal symmetry and may host topological quasiparticles with non-Abelian statistics. In rhombohedral graphene, superconductivity develops from a spin-valley-polarized quarter-metal (QM) parent state and features unique magnetic hysteresis of resistance that indicates orbital time-reversal-symmetry-breaking. Exploring and controlling the full spin-valley flavors of such superconductivity could enable novel superconducting and topological devices, but have remained unexplored. Here we report transport measurements on rhombohedral hexalayer graphene (R6G), which reveal a new superconducting state (SCH) that is induced by an out-of-plane magnetic field, in addition to chiral superconductivity (CSC) similar to those observed in thinner layers. This SCH state emerges above 0.8 T, persists up to 1.6 T and can be switched on/off by magnetic field $$H_\perp$$, carrier density $$n$$, and gate displacement field $$D$$. Quantum oscillations and anomalous Hall measurements show that SCH stems from a field-induced quarter-metal (QM$$'$$) parent phase, which carries orbital magnetization opposite to that of the zero-field QM. Across the full $$(n, D, H_\perp)$$ parameter space, superconductivity can be realized from all four spin-valley isospin flavors, establishing a switchable chiral-superconductor quartet in R6G. We interpret the parent-state switching as arising from competition between a Kane-Mele-like spin-valley splitting and magnetic-field coupling to spin-valley-dependent magnetic moments. Our work establishes rhombohedral graphene as a multi-knob platform for different isospin-polarized superconductivities, which enables programmable superconducting networks with possible Majorana modes along domain walls.
Le graphène à six couches est environ cent mille fois plus fin qu'une bulle de savon, mais il abrite quatre caractères supraconducteurs différents.
Les réseaux supraconducteurs programmables avec des modes de Majorana rappellent les ordinateurs quantiques de « L'Infini déchiré » de Piers Anthony, où les états sont commutés par des champs de force.