supraconductivité du 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.

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.

Dans un métal ordinaire, le courant circule comme une foule dans une rue droite : chaque électron est indépendant, et si l'on applique un champ magnétique, toute la foule se déplace légèrement sur le côté. Ce déplacement s'appelle l'effet Hall.

Dans un couloir étroit, les gens ne marchent pas en foule mais en rangées. Le nombre de rangées dépend de la largeur du passage. Dans le graphène, ce couloir est joué par un contact ponctuel quantique — une constriction où les électrons se déplacent balistiquement, sans diffusion.

Dans une pièce sombre, on entend à peine un murmure. Pour distinguer les mots, il faut s'approcher tout près – ou disposer de nombreux microphones sensibles.

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.

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.

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.

À l'intérieur d'un cristal se déroule un ballet invisible : les moments magnétiques des atomes, tels des danseurs, tantôt s'alignent à l'unisson, tantôt se dispersent en opposition de phase. La chorégraphie est dictée par l'échange quantique — une musique sensible à la géométrie des liaisons.

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.

Deux feuilles de semi-conducteur aussi fines que du papier sont superposées et légèrement tournées — de trois à quatre degrés environ. Les réseaux atomiques ne coïncident pas, et un motif de grande taille apparaît — un moiré, semblable aux ondulations produites par deux planches à laver décalées d'un petit angle.

Le champ magnétique ne pénètre pas dans un supraconducteur comme un flux continu, mais sous forme de filaments fins : les vortex. En général, ils se repoussent et s'organisent en un réseau triangulaire régulier, comme des flotteurs à la surface de l'eau.

Un cristal, c'est comme une ville : si les rues sont tortueuses, la circulation s'embourbe. Dans un cristal, les rangées d'atomes jouent le rôle des rues, et la circulation, c'est le flux d'électrons. La moindre irrégularité, impureté ou déplacement d'atome fait dévier les électrons.

Un tissu qui s'étire uniquement dans un sens, mais pas dans l'autre. C'est à peu près ainsi qu'est conçu un matériau semi-diracique : les électrons peuvent s'y déplacer librement dans une direction, mais dans l'autre, ils restent presque immobiles.

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.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est suspendue dans l'air, comme un drap tendu. Des ondes de chaleur la parcourent — des vibrations d'atomes que les physiciens appellent phonons. On pensait auparavant que ces ondes se dissipaient rapidement en raison de fortes interactions, et que la chaleur se transmettait mal.

Une feuille de graphène est un treillis d'atomes de carbone d'un atome d'épaisseur. On y voit les moindres impuretés, comme des poussières sur un verre de lunettes.

Une feuille de graphène — un treillis de carbone d'un atome d'épaisseur — soumise à un puissant laser se comporte comme une route où surgit soudain une barrière. Les électrons, qui couraient librement à travers le matériau, se heurtent à une zone interdite : un intervalle d'énergies qu'ils ne peuvent pas franchir.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme un treillis métallique flexible sur lequel les électrons se déplacent presque sans obstacle. Empilez deux de ces feuilles avec un léger décalage, et les propriétés du matériau changent radicalement : il peut devenir un isolant qui ne laisse pas passer le courant.

Une fine feuille de graphène de quelques micromètres d'épaisseur a été placée dans un faible champ magnétique – et elle a commencé à le repousser, comme une éponge expulse l'eau quand on la presse.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est tordue sous un petit angle, et elle commence à se comporter comme un gâteau en couches où les couches sont légèrement tournées les unes par rapport aux autres. À un certain angle de rotation, ce matériau devient supraconducteur : les électrons commencent à se déplacer par paires, comme des danseurs de valse, sans perdre d'énergie.

Les circuits supraconducteurs sont souvent construits sur des jonctions Josephson — des endroits où le courant circule sans résistance à travers une barrière mince. Habituellement, cette barrière est une couche d'oxyde, mais ses propriétés sont difficiles à contrôler à l'échelle nanométrique.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme une nappe parfaitement lisse sur laquelle roulent des billes électroniques. Placez une barrière électrique sur le chemin de ces billes — normalement, elles rebondissent.

Transformer les gaz légers, comme l'hydrogène et l'azote, en métal est un vieux rêve de physicien. Dans cette nouvelle expérience, l'azote a été comprimé à 130-140 gigapascals (une pression équivalente à 14 millions de kilogrammes sur un ongle) et chauffé à 3000°C.

Le bismuth bidimensionnel sur substrat de silicium est un matériau prometteur pour l'électronique du futur. Ses bords conduisent le courant sans pertes, comme une autoroute sans feux rouges. Mais le bismuth est fragile : l'air et l'humidité dégradent rapidement ses propriétés.

Un morceau d'or n'attire pas les trombones. Mais si l'on prend un film mince d'un alliage de gadolinium, d'or et de germanium et qu'on commence à le courber, des régions magnétiques peuvent y apparaître. Les scientifiques ne l'ont pas fait avec leurs mains, mais à l'aide d'un flux d'ions hélium qui pénétrait dans le matériau à travers un masque à motifs.

Un supraconducteur ordinaire et un champ magnétique, c'est comme l'eau et le feu : le champ déchire les paires d'électrons qui transportent le courant sans résistance. Mais si, au lieu d'un film continu, on prend une poussière de minuscules grains d'aluminium, chacun recouvert d'une fine couche d'oxyde, la donne change.

Une feuille de carbone d'une épaisseur d'un seul atome est placée dans un champ magnétique intense et refroidie à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Un microscope à micro-ondes glisse le long du bord de la feuille et mesure à quel point ce bord conduit l'électricité.

Un cristal, c'est comme une mosaïque parfaitement posée d'atomes. Mais faire pousser une telle mosaïque est un problème corsé : si l'ordre se dérègle un peu, apparaissent des « joints » — des frontières où les rangées d'atomes ne coïncident pas. Pour l'électronique ordinaire, c'est un détail ; pour un ordinateur quantique, c'est une catastrophe.

Les cristaux lamellaires de cuprates ressemblent à une pile de crêpes : chaque crêpe est un plan d'atomes de cuivre et d'oxygène, et entre elles se trouvent des intercalaires d'autres éléments. Habituellement, on étudie la supraconductivité sur toute la pile, où les couches s'influencent mutuellement.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si des vortex apparaissent, le courant commence à « trébucher » sur ces minuscules tourbillons. Dans le graphène tordu selon un angle particulier, on peut créer et étudier ces vortex un par un.

Un ruban de graphène large de neuf atomes est une piste sur laquelle les électrons courent comme l'eau dans un étroit canal. Les rayons gamma sont un flux de particules à très haute énergie, capables de traverser le métal et le plastique.

Le graphène — carbone en film d'un atome d'épaisseur — est un excellent conducteur. Mais sa surface est ridée, telle une nappe jamais repassée. Les scientifiques ont créé un « sandwich » : deux feuilles de ce type pressées l'une contre l'autre via une couche qui ne laisse pas passer le courant.

Un fil ordinaire à haute fréquence ressemble à une route pleine de nids-de-poule : le signal saute, une partie de l'énergie se dissipe en chaleur. Une chaîne supraconductrice en aluminium et en arséniure d'indium (un semi-conducteur) s'est révélée être une piste lisse pour les micro-ondes.

Dans un supraconducteur ordinaire, les électrons s'associent en paires immobiles — leur impulsion totale est nulle. Mais il existe une autre possibilité : les paires acquièrent une impulsion commune et se mettent en mouvement, tel un banc de poissons remontant le courant. Cet état, appelé onde de paires, est très capricieux et exige des conditions particulières.

Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Si on la découpe en fines bandes, on obtient des nanorubans de graphène. Leurs propriétés dépendent de la façon dont la bande est taillée : comme avec un même morceau de tissu, on peut coudre une nappe lisse ou une jupe plissée. Dans ces nouveaux travaux, des chimistes ont assemblé un ruban de forme asymétrique.

L'hélium sur du graphite se comporte comme un acrobate qui glisse sur un câble tout en gardant sa posture.

Une feuille de germanane d'un atome d'épaisseur repose sur un morceau de germanium — et le courant y circule comme sur une autoroute sans feux rouges. Le germanane est un réseau plat d'atomes de germanium recouvert d'hydrogène, un cousin du graphène.