Le matériau miracle qu’est le graphène a été transformé en supraconducteur

Des chercheurs japonais ont trouvé le moyen de rendre supraconducteur le “matériau miracle” qu’est le graphène, ce qui signifie que l’électricité peut le traverser sans résistance. Cette nouvelle propriété vient s’ajouter à la liste déjà impressionnante d’attributs du graphène, comme le fait qu’il est plus fort que l’acier, plus dur que le diamant et incroyablement flexible.

Mais la supraconductivité est une affaire importante, même pour le graphène, car lorsque l’électricité peut circuler sans résistance, cela peut conduire 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.

Avant de vous emballer, sachez que cette démonstration de supraconductivité dans le graphène s’est produite à une température extrêmement basse de -269 degrés Celsius, ce qui signifie que nous ne sommes pas prêts de fabriquer des lignes électriques en graphène.

Mais ce qui est passionnant, c’est que cette recherche suggère que le graphène pourrait être utilisé pour construire des dispositifs électroniques à grande vitesse de taille nanométrique. Imaginez toute l’électricité que nous pourrions économiser avec des ordinateurs reposant sur de minuscules circuits en graphène, capables de faire vrombir les électrons sans gaspiller l’énergie en chaleur.

Pour ceux qui ne connaissent pas encore le graphène, ce matériau est une couche de graphite d’un atome d’épaisseur (le matériau qui compose vos crayons), composée d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille hexagonal.

Les électrons à l’intérieur du graphène sont déjà assez spéciaux, car ils sont capables de prendre un état spécial appelé cône de Dirac, où ils se comportent comme s’ils n’avaient pas de masse. Cela les rend très rapides, mais même si le graphène est un conducteur très efficace, il n’est pas un supraconducteur, qui est un état qui nécessite une résistance nulle.

Une équipe de l’université de Tohoku et de l’université de Tokyo a réussi à obtenir la supraconductivité en créant deux feuilles de graphène et en insérant des atomes de calcium entre elles – une sorte de sandwich au calcium, le graphène faisant office de pain.

Takashi Takahashi

Ces feuilles de graphène ont été cultivées sur un cristal de carbure de silicium (le substrat SiC dans l’image ci-dessus), et l’équipe a pu montrer que lorsque la température atteint environ 4 kelvins, ou -269 degrés Celsius, la conductivité électrique du matériau chute rapidement – une indication claire de la supraconductivité.

La supraconductivité repose généralement sur le fait que les électrons ne se repoussent pas les uns les autres, comme ils le font habituellement, et qu’ils s’associent à la place, afin de pouvoir circuler dans les matériaux sans effort. Comme vous pouvez l’imaginer, lorsque cela se produit dans un matériau dont les électrons agissent déjà comme s’ils n’avaient pas de masse, les scientifiques sont plutôt enthousiastes.

“C’est important car les électrons sans masse qui circulent sans résistance dans le graphène pourraient conduire à la réalisation d’un dispositif nanoélectronique à grande vitesse”, explique l’université de Tohoku.

L’année dernière, des chercheurs ont réussi à rendre le graphène supraconducteur en l’enrobant de lithium, mais l’équipe japonaise est maintenant parvenue à réaliser la même chose en conservant le matériau dans son état d’origine.

Les chercheurs ont également pu montrer que la supraconductivité ne se produisait pas lorsque les bicouches de graphène étaient seules ou lorsqu’elles étaient enrobées de lithium, ce qui suggère que ce sont les atomes de calcium qui sont importants dans le processus – même si les chercheurs admettent qu’ils ne savent toujours pas quel phénomène se produit dans le graphène pour obtenir la supraconductivité, et qu’il reste donc du travail à faire.

Mais s’ils parviennent à comprendre ce qui se passe, ils pourraient être en mesure de modifier le processus et de trouver un moyen d’obtenir la supraconductivité du graphène à des températures plus élevées, ce qui serait énorme.

Comme nous l’avons déjà mentionné, il est peu probable que le graphène soit utilisé pour construire des lignes électriques – il existe des supraconducteurs à haute température plus prometteurs qui seraient mieux adaptés à cette tâche – mais il pourrait révolutionner nos ordinateurs.

“Les derniers résultats ouvrent la voie à la poursuite du développement de nanodispositifs supraconducteurs à très haute vitesse”, déclare l’université de Tohoku, “comme un dispositif d’informatique quantique, qui utilise du graphène supraconducteur dans son circuit intégré”

Nous sommes impatients de voir quelle sera la prochaine chose étonnante que fera le graphène.

Cette recherche a été publiée dans ACS Nano.