Supraconductivité dans le graphène multicouche – Digne de la science

Un type de matériau qui permet à l’électricité de circuler avec peu de résistance est appelé un conducteur. Comme le cuivre dans le câblage électrique de votre maison, la résistance est faible mais elle est toujours là. Cette résistance signifie que l’électricité a besoin d’énergie pour circuler à travers les fils et que la perte d’énergie réchauffe le fil. C’est pourquoi trop de courant peut provoquer une surchauffe de l’électronique.

Un type spécial de matériau avec une résistance électrique nulle est appelé un supraconducteur. Sans résistance, la chaleur ne perd aucune énergie et le courant électrique circulera à travers le fil supraconducteur même après la suppression de la source d’alimentation. Dans la plupart des cas, les scientifiques doivent refroidir le matériau à des températures très basses pour obtenir la supraconductivité. Par exemple, le mercure est supraconducteur à -452°F ou -269°C ou moins.

Les scientifiques ont découvert que certains nanomatériaux peuvent agir comme des supraconducteurs. Une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un motif hexagonal en forme de nid d’abeille est appelée carbone graphène. ces dernières années, Scientifiques Découvrir que lorsque deux couches de graphène sont empilées et légèrement tordues l’une par rapport à l’autre, elles deviennent supraconductrices.

Cette structure est appelée Graphène bicouche torsadé à angle magiqueou alors Matbeg, où « l’angle magique » fait référence à la quantité exacte de torsion qui conduit à la supraconductivité. Les scientifiques suggèrent que la supraconductivité dans MATBG survient parce que la torsion conduit à un décalage dans les atomes empilés, de sorte qu’un atome de carbone n’est plus directement en dessous de l’atome de carbone dans la deuxième couche. Ces motifs superposés dépareillés sont appelés un Motif moiré En mathématiques.

chercheurs récemment explorez-le une le système de trois couches de graphène torsadées les unes par rapport aux autres, ou Graphène tri-couche Magic Angle (MATTG), et a découvert la présence de supraconductivité lorsque la couche intermédiaire était tordue à des angles spécifiques. Lorsqu’un supraconducteur est placé dans un champ magnétique, il existe une intensité de champ magnétique critique à laquelle le supraconducteur redevient conducteur. Les scientifiques ont découvert que la supraconductivité dans le système à trois couches persistait dans des champs magnétiques près de trois fois plus élevés que dans le système à deux couches. Cela les a amenés à se demander si ces systèmes de graphène en couches faisaient en fait partie d’une famille plus large de supraconducteurs Moary.

Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont récemment fabriqué et testé des dispositifs de graphène à quatre et cinq couches, appelés mat4g Et MAT5G successivement. À l’aide d’un laser, ils ont coupé de minuscules flocons de graphène à peu près de la même largeur qu’un grain de pollen. Ensuite, ils ont empilé les flocons de graphène, en alternant la couche torsadée. Dans la structure à quatre couches, les couches inférieure et troisième étaient alignées et les deuxième et quatrième couches étaient alignées. Dans la structure à cinq couches, les couches inférieure, intermédiaire et supérieure sont alignées. La quantité de torsion ou d’angle magique a été calculée à partir d’un modèle théorique. En utilisant cette technique, les scientifiques ont fabriqué quatre appareils MAT4G et six appareils MAT5G.

Les scientifiques ont placé les appareils au graphène dans un congélateur cryogénique et ont fait passer un courant électrique à travers chaque appareil. En mesurant la sortie, ils peuvent déterminer quand la résistance est passée à zéro. Les scientifiques ont mesuré la supraconductivité dans trois des quatre appareils MAT4G et les six appareils MAT5G. Dans les expériences MATBG précédentes, seulement environ la moitié des appareils présentaient une supraconductivité. Les scientifiques ont montré que la structure à deux couches était plus susceptible de se détendre vers des angles plus petits et de désactiver la supraconductivité.

Les scientifiques ont ensuite exploré l’état supraconducteur de chaque appareil sous un champ magnétique. Ils ont suspecté un comportement supraconducteur associé à la symétrie atomique dans chaque système, et se sont donc appuyés sur le fait que le nombre de couches était pair ou impair. Suivant ce raisonnement, ils s’attendaient à ce que la supraconductivité dans MAT5G persiste à des champs magnétiques plus élevés que dans MAT4G, similaire à ce qui avait été observé précédemment dans les dispositifs à deux et trois couches. Cependant, les scientifiques ont été surpris de constater que les deux appareils sont toujours supraconducteurs sous de forts champs magnétiques, similaires à MATTG.

Les scientifiques ont montré qu’un champ magnétique ajoute suffisamment d’élan aux atomes pour que les électrons puissent créer un tunnel entre deux couches. Dans un système à deux couches, cet effet tunnel peut diffuser des paires d’électrons essentielles à la supraconductivité. Lorsqu’il y a plus de couches dans la structure, ces effets s’annulent et les paires d’électrons persistent.

Les scientifiques ont également découvert que tous les dispositifs de graphène à couches magiques présentaient une structure électronique spéciale où l’énergie est indépendante de la quantité de mouvement, appelée bande plate. En d’autres termes, tous les électrons de la matière ont la même énergie, quelle que soit leur vitesse de déplacement. Dans ce cas, les électrons peuvent à la fois ralentir et s’apparier, ce qui est une explication possible de l’apparition de la supraconductivité dans ces matériaux. Ils suggèrent que les travaux futurs peuvent explorer la relation entre les bandes plates et la supraconductivité. Ils suggèrent également d’étendre la recherche à d’autres supraconducteurs moirés et à leurs applications potentielles.