graphène

Imaginez un minuscule trou dans une feuille de graphène : un atome de carbone manquant. On pensait jusqu'ici que la molécule d'eau ne se brisait sur ce défaut que seule, dans un gaz sec. Mais si de l'eau liquide clapote tout autour, tout change.

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement.

Un violon de Stradivarius ne peut être fabriqué qu'à partir de bois ayant poussé dans des conditions particulières. On a longtemps pensé que le graphène destiné aux effets quantiques délicats devait être exfolié au ruban adhésif à partir de graphite, et qu'un cristal cultivé en éprouvette n'en était pas capable.

La molécule de triptycène évoque une étoile à trois branches rigides. Lorsqu'on dépose ces étoiles sur une surface de plomb, elles s'organisent spontanément en un motif qui rappelle un panier tressé : triangles et hexagones alternent, et à chaque nœud se trouve non pas une étoile, mais une paire.

Une feuille de papier laissée sur une table mouillée se gondole et ses bords se soulèvent. Personne ne contrôle ce mouvement, mais il obéit aux mêmes lois que la croissance des plantes : certaines zones de la feuille se contractent plus que d'autres, et la forme plate se transforme en volume.

Un supraconducteur est un matériau qui conduit le courant sans perte, comme l'eau qui s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Dans les supraconducteurs à base de cuivre, de minuscules ajouts d'oxygène agissent comme un bouton de volume : un peu plus, et le matériau devient supraconducteur ; un peu moins, et il cesse de l'être.

Dans le placard de la chimie, des fiches sur des substances que personne ne jugeait spéciales prenaient la poussière. Il s'avère que parmi elles se cachaient des matériaux bidimensionnels — fins comme une feuille de papier, mais résistants et dotés de propriétés surprenantes.

Le graphène — une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur — sait changer ses propriétés magnétiques comme l'eau change de forme : tantôt elle coule, tantôt elle se fige en glace. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont pour la première fois observé l'intérieur de ce processus à l'aide d'un capteur de la taille d'une pointe d'aiguille.

Un tuyau d'eau : plus il est large, plus l'eau passe. Dans les contacts supraconducteurs — les jonctions Josephson (des ponts où le courant circule sans résistance) — c'est généralement pareil : plus le matériau conduit bien à l'état normal, plus le courant supraconducteur qui le traverse est grand.

Une plaquette de céramique aussi fine qu'un film de savon, et pourtant un courant la traverse sans la moindre résistance. Voilà à quoi ressemble la supraconductivité obtenue dans les nickelates, ces cousins des célèbres supraconducteurs à base de cuprates.

D'ordinaire, la lumière ne fait pas d'un isolant un conducteur – il faut de puissantes impulsions laser qui brisent la structure du matériau. Mais dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, tout est différent.

Le graphène, une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur, se comporte comme la surface d'une eau calme — jusqu'à ce que la supraconductivité apparaisse. Alors, telles des ondulations provoquées par une pierre jetée, des vagues inhabituelles se propagent : des paires d'électrons se déplacent sans frottement.

Dans une feuille ultramince de graphène à quatre couches, les électrons peuvent se comporter comme un liquide figé. Sous un fort refroidissement et sous l'effet d'un champ électrique, ils cessent de s'agiter et s'alignent en un motif régulier — un cristal de Wigner.

Un nid d'abeilles fait non pas de cire mais d'atomes, c'est le graphène, un cristal plat d'une épaisseur d'une seule couche. Les électrons y ressemblent à des coureurs à un carrefour : ils accélèrent par endroits, ralentissent ailleurs, mais ne restent jamais bloqués sur le bord.

Imaginez une transition de phase quantique comme une danse complexe. Les électrons tourbillonnent dans un ordre strict, et chaque pas représente leur distribution spatiale, tandis que le rythme incarne la dynamique. Pendant des décennies, les physiciens n'ont vu qu'un mouvement flou, incapables de distinguer : les figures changent-elles ou la musique s'accélère-t-elle ?

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

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.

Dans une goutte de sang flottent des millions de molécules d'albumine, la principale protéine de transport. Son taux chute lors de maladies rénales ou hépatiques, d'où le besoin d'une mesure rapide et précise.

Le graphène, ce cristal de carbone bidimensionnel, a longtemps fait rêver les physiciens d'une supraconductivité à haute température. Ses électrons obéissent à l'équation relativiste de Paul Dirac, filent à une vitesse prodigieuse, presque sans se soucier les uns des autres.

Une masse carbonisée de la taille d'un poing : voilà ce qui reste d'un rouleau de la bibliothèque de la ville romaine d'Herculanum. Il y a deux mille ans, l'éruption du Vésuve l'a enseveli, et depuis, personne n'a lu le texte caché à l'intérieur. Tenter de dérouler physiquement un tel rouleau le réduirait en cendres. Mais désormais, les archéologues n'ont plus besoin de prendre ce risque.

Plus un film ferroélectrique est mince, plus le champ dépolarisant est fort — c'est le diktat de la physique classique. Imaginez un crayon en équilibre sur le bout du doigt : plus il est court, plus il est difficile de le tenir vertical. De même, la polarisation nanométrique tend à disparaître.

Un interrupteur qui sait tout seul dans quel sens laisser passer le courant. C'est ainsi que fonctionne une diode Josephson : un pont supraconducteur où le courant circule volontiers dans un sens, mais bute dans l'autre. Dans cette nouvelle étude, un tel pont a été réalisé en graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

Les électrons dans un cristal évoquent des voitures dans les rues d'une ville : certains filent sur les boulevards, d'autres restent coincés dans les embouteillages. Dans certains réseaux, le mouvement s'arrête complètement : la vitesse cesse de dépendre de l'énergie, et les électrons deviennent « plats ». Ce n'est pas un bouchon, mais un rythme particulier du réseau, où les ondes s'annulent mutuellement.

Un potier trace un motif sur une tuile d'argile encore humide avec un scalpel bien aiguisé. Un faux mouvement, et la ligne s'étale, la tuile se fissure. C'est à peu près ainsi que les physiciens travaillent sur des couches minces du supraconducteur à haute température YBCO (un composé d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène).

Dans la boue trouble, entre deux électrodes, s'alignent de longues chaînes de bactéries, fines comme un câble microscopique. Chaque filament conduit le courant sur un centimètre entier, un véritable marathon pour un microbe.

L'Univers ne se contente pas de s'étendre : il résonne. Après le Big Bang, des cordes tendues sont restées dans sa trame — fines comme un proton, mais lourdes comme une chaîne de montagnes.

Du tricot au crochet, mais avec des molécules individuelles au lieu du fil, et une surface d'or en guise de crochet. Jusqu'à présent, les tentatives pour tisser un tissu régulier à partir de telles molécules se soldaient par un échec : les brins s'accrochaient là où il ne fallait pas et le motif se déformait. Une équipe de scientifiques a trouvé le moyen de résoudre ce problème.

Chaque électron est un minuscule aimant. Dans une couche de chlorure de fer d'un atome d'épaisseur, ils s'orientent tous dans la même direction, comme des danseurs dans un numéro parfaitement synchronisé. D'habitude, la nature évite un tel ordre (c'est ce qu'on appelle la haute entropie), mais les forces quantiques les contraignent à obéir.

Un pont fait de deux rangées de planches fléchit sous les pas des piétons — et chaque pas reçoit l'aide du mouvement élastique du tablier. Un principe similaire est à la base de la supraconductivité : les électrons glissent sans résistance parce que le réseau atomique s'adapte à eux.

Deux feuilles ultraminces, semblables à du mica, reposent l'une sur l'autre. L'une glisse d'une fraction de nanomètre — et un modeste semi-conducteur se transforme en aimant. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les matériaux étudiés par les auteurs : des composés lamellaires de niobium et de tantale avec du soufre ou du sélénium.

Dans un supraconducteur, les électrons s'associent en paires, comme des danseurs qui se tiennent par la main. Habituellement, la distance entre eux — la taille de la paire — dépend de leur vitesse et de la force de leur liaison. Mais parfois, la piste de danse disparaît presque, et il n'y a plus de place pour bouger.

L'acier n'est pas un monolithe, mais une mosaïque de grains microscopiques soudés les uns aux autres. Leurs jonctions — les joints de grains — sont le point le plus vulnérable : c'est là que les fissures commencent.

Chaque atome de carbone dans une molécule porte un passeport : l'énergie avec laquelle ses électrons les plus profonds restent sur leurs orbites. Cette énergie réagit finement à l'environnement : qu'un oxygène ou une double liaison apparaisse à proximité, et le chiffre du passeport change.

Une feuille de graphène est un treillis d'atomes de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Si l'on empile plusieurs de ces feuilles avec un décalage particulier, on obtient un matériau aux propriétés inhabituelles : il peut être aimant ou supraconducteur selon la façon dont on le sollicite.

Le carbure de silicium est un matériau qui sert de blindage pour l'électronique. Il résiste à la chaleur, aux chocs et aux radiations, comme la tuile en céramique sur le bouclier thermique d'un vaisseau spatial.

Un cristal semblable à une pile de crêpes a été déposé sur un substrat lisse en oxyde de magnésium. On a obtenu une pellicule épaisse de quelques centaines d'atomes. Lorsqu'on y a fait passer un courant et qu'on a activé un aimant, la résistance a augmenté de près d'un quart — de 22,5 % sous un champ de 9 teslas.

Un cristal ordinaire, c'est comme un immeuble : les électrons y circulent dans des couloirs et des escaliers communs, s'influençant mutuellement à travers les murs. Maintenant, enlevons tous les murs, ne laissant qu'une seule rangée d'appartements.

Une feuille de tellurure de tungstène d'un atome d'épaisseur ressemble à une fine pellicule : les électrons ne la traversent pas, car une bande interdite sépare leurs états possibles, comme un fossé qu'on ne peut pas sauter. Ajoutez deux couches de plus, et le fossé disparaît : le matériau devient métallique, le courant passe.

Une feuille de papier ne pèse presque rien, mais si l'on empile cent feuilles, on obtient une liasse bien tangible. C'est à peu près ce qu'ils ont fait avec un matériau qui excelle à convertir une couleur de lumière en une autre, mais seulement lorsqu'il a l'épaisseur d'un atome. Une seule couche, c'est comme une seule feuille : cela fonctionne joliment, mais c'est trop fin pour produire beaucoup de lumière.

Un sol en mosaïque composé de nombreuses petites tuiles orientées dans des directions différentes. On pourrait penser que tout motif tentant de traverser un tel sol se briserait et disparaîtrait. C'est ainsi que l'on considère généralement le désordre dans les cristaux : si les atomes ne sont pas alignés dans un réseau parfait, les effets quantiques subtils devraient s'effondrer.