On le présente souvent comme le matériau miracle. Pourtant, on attend toujours que le graphène, avec ses propriétés hors-normes, révolutionne notre monde. Une découverte récente pourrait bien faire, enfin, avancer les choses : les doubles de couches de graphène seraient supraconductrices.

Cela vous intéressera aussi [EN VIDÉO] Les étonnantes propriétés quantiques du graphène Le graphène est un matériau composé d’une seule couche d’atomes de carbone. Il a notamment des propriétés électriques étonnantes. Découvrez en vidéo, grâce à Tout Est Quantique, les secrets du graphène.

Selon la théorie des bandes, les isolants de Mott devraient conduire le courant. Leurs bandes, en effet, ne sont qu'à moitié remplies. Mais dans la pratique, ils ne conduisent pas l'électricité. La faute aux interactions trop importantes entre électrons. Mais un dopage à l'oxygène peut retourner la situation et les transformer subitement en supraconducteurs.

Il y a quelques mois, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT, États-Unis) ont montré que c'est à peu près ce qu'il se passe aussi lorsque deux couches de graphène -- connues pour être semi-conductrices -- sont superposées avec un angle très précis de 1,1°. Elles sont alors isolantes. Mais dopé, à l'aide d'électrons cette fois, le graphène devient supraconducteur.

Les doubles de couches de graphène ont déjà largement été étudiés. Mais seule, la précision de BESSY II, dont on découvre ici le hall d’expérience, a pu permettre d’y déceler une bande plate à côté de la bande interdite de ce semi-conducteur. © Helmholtz Zentrum Berlin

Des couches exactement superposées

Cet angle de 1,1° rend malheureusement difficile une production de masse. Mais des chercheurs du Helmholtz Zentrum Berlin (Allemagne) semblent avoir découvert que la supraconductivité des doubles couches de graphène est un phénomène plus général. Ils ont pu l'observer à partir d'un cristal de carbure de silicium très simplement chauffé jusqu'à ce que les atomes de silicium s'évaporent de sa surface, laissant derrière eux deux couches de graphène exactement superposées.

Grâce au rayonnement synchrotron de BESSY II, les physiciens ont pu analyser avec une précision sans précédent, la structure de bande de leur échantillon. Ils ont vu apparaître, une structure de bande effectivement semblable à celle d'un isolant de Mott, présentant des bandes plates. Celles-ci, sous réserve qu'elles soient portées au niveau de l'énergie dite « de Fermi » -- soit, à seulement 200 milli-électrons-volts de là, grâce à un dopage --, rendent le matériau supraconducteur.

Pour en savoir plus

La supraconductivité du graphène enfin déclenchée

Extraordinairement résistant, extrêmement léger, particulièrement flexible, incroyablement conducteur de chaleur, tout à fait imperméable aux gaz. N'en jetez plus ! La coupe des qualités du graphène est pleine. Pensait-on, car des chercheurs viennent en plus de révéler sa supraconductivité.

Article de Nathalie Mayer paru le 24/01/2017

Depuis sa découverte en 2004, les scientifiques soupçonnaient le graphène de présenter des propriétés supraconductrices. Pourtant, jusqu'à présent, il n'avait été possible de le rendre supraconducteur qu'en le dopant avec, ou en lui adjoignant, un matériau lui-même supraconducteur. L'opération lui faisant perdre d'autres de ses propriétés intéressantes et ne se faisant généralement qu'à basse température. Des chercheurs de l'université de Cambridge (États-Unis) rapportent, dans la revue Nature Communications, être parvenus à activer la supraconductivité du graphène en le couplant à un oxyde de cuivre, le praséodyme de cérium (PCCO).

Les supraconducteurs classiques interviennent d'ores et déjà dans un certain nombre d'applications. Dans les instruments d'imagerie par résonance magnétique (IRM), par exemple, ils aident à produire un champ magnétique suffisamment puissant et stable pour obtenir des images utiles au diagnostic médical. Les supraconducteurs à haute température -- qui, rappelons-le, permettent de conduire le courant avec une résistance nulle -- pourraient aussi, à l'avenir, être utilisés pour améliorer l'efficacité des lignes électriques ou produire des systèmes de stockage de l'électricité hyper performants.

Selon les chercheurs de Cambridge, la supraconductivité du graphène ouvrirait bien ce type de perspectives. L'extraordinaire matériau à deux dimensions pourrait également servir à concevoir une nouvelle génération de systèmes quantiques supraconducteurs pour une informatique ultra rapide. Et d'un point de vue plus fondamental, leur découverte pourrait aider à résoudre le mystère de la supraconductivité d'onde p qui intrigue les scientifiques depuis plus de 20 ans maintenant.

Le graphène supraconducteur pourrait être utilisé pour fabriquer des dispositifs de type transistor. Et même — compte tenu de la variété des molécules susceptibles de s’apparier au graphène — conduire au développement de dispositifs électroniques moléculaires supraconducteurs. © beear, Pixabay, CC0 Public Domain

Un oxyde de cuivre comme déclencheur

Rappelons que le PCCO est un oxyde qui appartient à la famille des cuprates. Celle-ci regroupe des composés chimiques qui présentent de la supraconductivité à haute température. Ce qui explique, du moins en partie, l'intérêt que leur portent les chercheurs de Cambridge. Mais ce sont leurs propriétés électroniques bien connues qui leur permettent aujourd'hui d'assurer que la supraconductivité du graphène a bien été observée. Et non celle transmise par le supraconducteur couplé.

En effet, au cœur d'un supraconducteur, les électrons se regroupent en paires et forment une onde. L'alignement des spins électroniques à l'intérieur de ces paires varie en fonction du type de supraconductivité impliquée. Dans le cas du PCCO, les spins électroniques se présentent dans des états antiparallèles correspondant à des états d'ondes baptisés d.

Au cours des expériences menées par les chercheurs de Cambridge, des techniques de microscopie électronique à balayage et à effet tunnel ont révélé des états de spins de type p. Ils sont révélateurs d'une supraconductivité totalement différente de celle du PCCO et permettent donc aux chercheurs de conclure à une supraconductivité intrinsèque du graphène, déclenchée par la supraconductivité du PCCO. Même si des doutes subsistent, les résultats obtenus suggèrent grandement que la supraconductivité en question serait de type p. Une supraconductivité souvent discutée, mais jamais encore observée jusqu'alors...