Le pouvoir supraconducteur du graphène a enfin été dévoilé, et c’est plus fou que prévu

C’est officiel : le graphène a été transformé en supraconducteur à l’état naturel, ce qui signifie que le courant électrique peut le traverser sans résistance.

L’année dernière, des physiciens y sont parvenus en dopant le graphène avec des atomes de calcium, mais c’est la première fois que des chercheurs parviennent à rendre le matériau supraconducteur sans avoir à le modifier. Et les résultats obtenus jusqu’à présent montrent que le matériau atteint un type de supraconductivité incroyablement rare, qui est encore plus fou et plus puissant que ce que les scientifiques avaient prévu.

Cette nouvelle recherche est un événement important, même pour un matériau aussi impressionnant que le graphène, car la supraconductivité est la clé d’une électronique plus efficace, de meilleurs réseaux électriques et de nouvelles technologies médicales.

“Il a longtemps été postulé que, dans les bonnes conditions, le graphène devrait subir une transition supraconductrice, mais qu’il ne le pouvait pas”, a déclaré l’un des chercheurs, Jason Robinson, de l’université de Cambridge au Royaume-Uni.

Aujourd’hui, il affirme que son équipe a réussi à réveiller cette capacité. Et il semble que le graphène ne soit pas seulement un supraconducteur normal – il pourrait conduire le courant sans résistance grâce à un type de supraconductivité non confirmé et insaisissable appelé état d’onde p. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour confirmer ce résultat, mais il s’agit d’une possibilité assez intrigante.

Déjà très performant, le graphène est une feuille bidimensionnelle d’atomes de carbone super flexible, plus dure que le diamant et plus résistante que l’acier.

Mais depuis sa découverte en 2004, les chercheurs soupçonnent que le graphène pourrait également avoir la capacité d’être un supraconducteur, ce qui signifie qu’il pourrait transporter des électrons sans aucune résistance.

Même les matériaux qui sont de bons conducteurs restent inefficaces par rapport aux supraconducteurs. Par exemple, les compagnies d’énergie perdent environ 7 % de leur énergie sous forme de chaleur en raison de la résistance du réseau.

Nous utilisons déjà des matériaux supraconducteurs pour créer les puissants champs magnétiques nécessaires aux appareils d’IRM et aux trains à sustentation magnétique, mais pour l’instant, ces matériaux ne deviennent supraconducteurs qu’à des températures d’environ -269 degrés Celsius (-452,2 degrés Fahrenheit), ce qui est incroyablement coûteux et pas vraiment pratique.

Si nous pouvions trouver un moyen d’atteindre la supraconductivité de manière durable et à des températures élevées, cela ouvrirait la voie à des superordinateurs fonctionnant sans résistance et à une technologie médicale plus efficace – et le graphène est souvent considéré comme un candidat de choix pour y parvenir, compte tenu de toutes ses autres propriétés étranges et merveilleuses.

L’année dernière, des chercheurs ont réussi à faire du graphène un supraconducteur en insérant des atomes de calcium dans son réseau. Et d’autres équipes ont obtenu un résultat similaire en le plaçant sur un matériau supraconducteur.

Mais dans la nouvelle étude, les chercheurs de l’Université de Cambridge ont réussi à activer le potentiel dormant du graphène sans qu’il soit influencé par un autre matériau.

“Placer du graphène sur un métal peut modifier considérablement les propriétés de sorte qu’il ne se comporte techniquement plus comme nous l’attendons”, a déclaré l’un des membres de l’équipe, Angelo di Bernardo

“Ce que vous voyez n’est pas la supraconductivité intrinsèque du graphène, mais simplement celle du supraconducteur sous-jacent qui est transmise.”

Au lieu de cela, l’équipe a obtenu la supraconductivité en le couplant avec un matériau appelé oxyde de cérium-cuivre de praséodyme (PCCO).

Cela peut sembler similaire à ce qui s’est passé dans les expériences précédentes – après tout, ils mettent toujours du graphène au-dessus d’un autre matériau – mais la différence ici est que le PCCO est un type de matériau supraconducteur appelé cuprate, qui a des propriétés électroniques bien comprises.

L’équipe a donc pu distinguer clairement la supraconductivité du PCCO de celle du graphène.

Et ce qu’ils ont vu était plus fou que ce à quoi ils s’attendaient.

La supraconductivité se produit lorsque les électrons s’associent et se déplacent plus efficacement dans un matériau.

L’alignement du spin, ou la symétrie, de ces paires d’électrons change en fonction du type de supraconductivité concerné. Par exemple, dans le PCCO, les électrons s’associent avec un état de spin antiparallèle, appelé état d’onde d. Mais ce que l’équipe a vu se produire dans le graphite, c’est que les paires d’électrons se déplacent plus efficacement à travers le matériau.

Mais ce que l’équipe a vu se produire dans le graphène était très différent : elle a trouvé des preuves de l’existence d’un type de supraconductivité rare et encore non vérifié, appelé état d’onde p. “Ce que nous avons vu dans le graphène, c’est un état d’onde p qui se produit.

“Ce que nous avons vu dans le graphène était, en d’autres termes, un type de supraconductivité très différent de celui du PCCO”, a déclaré Robinson.

“C’était une étape vraiment importante car cela signifiait que nous savions que la supraconductivité ne venait pas de l’extérieur et que le PCCO n’était donc nécessaire que pour libérer la supraconductivité intrinsèque du graphène.”

On ne sait pas encore exactement quel type de supraconductivité l’équipe a déclenché dans le graphène, mais s’il est confirmé qu’il s’agit bien de la forme insaisissable de l’onde p, cela pourrait prouver une fois pour toutes que ce type de supraconductivité existe et permettre aux chercheurs de l’étudier correctement pour la première fois.

La supraconductivité à onde P a été proposée pour la première fois en 1994, lorsque des chercheurs japonais ont trouvé des preuves de son existence dans un matériau cristallin appelé ruthénate de strontium. Mais ce cristal est trop volumineux pour être étudié suffisamment bien pour obtenir le type de preuve dont les scientifiques ont besoin pour confirmer l’existence de cet état.

Si cela se produit dans le graphène, il serait beaucoup plus facile de l’étudier.

“Si la supraconductivité à onde p est effectivement créée dans le graphène, celui-ci pourrait être utilisé comme un échafaudage pour la création et l’exploration d’un tout nouveau spectre de dispositifs supraconducteurs pour les domaines de la recherche fondamentale et appliquée”, a déclaré Robinson

“De telles expériences conduiraient nécessairement à une nouvelle science grâce à une meilleure compréhension de la supraconductivité à onde p, et de la façon dont elle se comporte dans différents dispositifs et contextes.”

Non seulement cela, mais l’équipe suggère que le graphène pourrait être la clé pour débloquer la supraconductivité au-dessus de -269 degrés Celsius (-452,2 degrés Fahrenheit), et pourrait être utilisé à l’intérieur des superordinateurs et d’autres technologies pour les rendre plus efficaces.

D’autres équipes de recherche vont sans doute se précipiter pour vérifier ce résultat dans leurs propres laboratoires et commencer à expérimenter ce nouvel état d’éveil du graphène, alors surveillez cet espace.

Cette recherche a été publiée dans Nature Communications.