Comme si ce n’était pas déjà assez génial, des physiciens ont trouvé un nouveau moyen de transformer le graphène, un matériau miracle, en un supraconducteur ridiculement puissant, capable de transporter l’électricité sans résistance.
Le graphène est déjà très performant : épais d’un seul atome, il est plus fort que l’acier, plus dur que le diamant et incroyablement flexible. L’année dernière, il est devenu encore plus étonnant lorsque des scientifiques ont trouvé le moyen de libérer ses capacités supraconductrices annoncées depuis longtemps. Pour la première fois, des scientifiques ont montré qu’ils pouvaient obtenir un nouveau type de supraconductivité simplement en mettant le graphène en contact avec d’autres supraconducteurs.
La supraconductivité n’est pas une mince affaire, même pour un matériau aussi talentueux que le graphène. Les conducteurs normaux tels que l’argent et le cuivre sont capables de transporter un courant électrique, mais les électrons qui les traversent rebondissent toujours sur les défauts du matériau, perdant ainsi de l’énergie.
Mais à l’intérieur des supraconducteurs, les électrons s’associent et traversent le matériau en un seul bloc, sans perdre d’énergie par frottement.
C’est important, car si nous pouvions trouver un moyen d’obtenir la supraconductivité à température ambiante, cela conduirait à des appareils électroniques beaucoup plus efficaces, sans parler des lignes électriques. À l’heure actuelle, les compagnies d’électricité perdent environ 7 % de leur énergie sous forme de chaleur en raison de la résistance du réseau.
Jusqu’à présent, il a été démontré que le graphène ne devenait supraconducteur que dans des états de surfusion, et cette nouvelle expérience n’est pas différente.
Mais grâce aux autres propriétés remarquables du matériau, cela vaut la peine de se réjouir, car nous pourrions un jour utiliser le graphène pour construire de minuscules appareils électroniques à grande vitesse qui ne gaspillent pas d’énergie sous forme de chaleur.
Dans la dernière étude, des physiciens du MIT ont pris un flocon de graphène et l’ont pris en sandwich entre de l’aluminium, qui se comporte comme un supraconducteur à basse température.
MIT
Ils ont refroidi l’ensemble du dispositif à environ 20 millikelvins (-273,13 degrés Celsius ou -459,6 degrés Fahrenheit), ce qui a activé les capacités supraconductrices de l’aluminium.
L’équipe a alors montré que le graphène changeait radicalement d’état électronique et adoptait certaines des qualités des supraconducteurs.
“Les supraconducteurs confèrent en fait au graphène certaines qualités supraconductrices”, a déclaré le chercheur principal Landry Bretheau.
“Nous avons découvert que ces électrons peuvent être considérablement affectés par les supraconducteurs.”
Plus important encore, au lieu de se comporter comme des particules individuelles qui se dispersent, les électrons du graphène ont commencé à s’apparier pour former ce que l’on appelle des “états d’Andreev “, une configuration qui permet à des matériaux qui ne sont généralement pas supraconducteurs de transporter un “supercourant ” qui circule sans perdre d’énergie.
Contrairement aux paires d’électrons dans les matériaux supraconducteurs traditionnels, qui sont connues sous le nom de paires de Cooper, les électrons du graphène s’apparient en fait par frustration, car ils sont tirés dans deux directions différentes par les supraconducteurs de chaque côté du sandwich.
“Les électrons dans un supraconducteur dansent harmonieusement par paires, comme un ballet, mais la chorégraphie dans les supraconducteurs de gauche et de droite peut être différente”, a déclaré Bretheau.
“Les paires dans le graphène central sont frustrées car elles essaient de satisfaire les deux façons de danser. Ces paires frustrées sont ce que les physiciens appellent des états d’Andreev ; elles transportent le supercourant.”
Cet effet a été prédit pour la première fois en 1962 par le physicien britannique Brian David Josephson, mais c’est la première fois que l’on montre qu’il est possible dans le graphène, ou dans tout autre matériau bidimensionnel.
D’autres équipes ont également réussi à transformer le graphène en supraconducteur sans l’influence d’autres matériaux.
Mais cette technique n’offre pas seulement un moyen plus simple de libérer le pouvoir supraconducteur du graphène, elle ouvre également la possibilité d’étudier des particules encore plus lucratives et exotiques qui pourraient apparaître dans le graphène.
Les fermions de Majorana, dont on pense qu’ils proviennent des états d’Andreev, présentent un intérêt particulier et pourraient être utilisés pour construire un jour des ordinateurs quantiques puissants et sans erreur.
“La communauté de la physique condensée déploie des efforts considérables pour rechercher des états électroniques quantiques exotiques”, a déclaré M. Bretheau.
“En particulier, on prévoit que de nouvelles particules appelées fermions de Majorana émergent dans le graphène connecté à des électrodes supraconductrices et exposé à de grands champs magnétiques. Notre expérience est prometteuse, car nous unifions certains de ces ingrédients.”
La recherche a été publiée dans Nature Physics.