Le graphène sur la voie de la supraconductivité

Les scientifiques de HZB ont trouvé des preuves que les doubles couches de graphène ont une propriété qui leur permet de conduire le courant complètement sans résistance. Ils ont sondé la structure de la bande à BESSY II avec des ARPES à résolution extrêmement élevée et ont pu identifier une zone plate à un emplacement surprenant. Leur recherche est publiée dans Progrès de la science.

Les atomes de carbone peuvent former des liaisons de plusieurs manières. Le carbone pur peut donc se présenter sous de nombreuses formes, notamment le diamant, le graphite, les nanotubes, les molécules de football ou sous forme de réseau en nid d'abeille à mailles hexagonales, appelé graphène. Ce matériau exotique strictement strictement bidimensionnel conduit bien l’électricité, mais n’est pas un supraconducteur. Mais peut-être que cela peut être changé.

Une option compliquée pour la supraconductivité

En avril 2018, un groupe du MIT aux États-Unis a montré qu’il est possible de générer une forme de supraconductivité dans un système à deux couches de graphène dans des conditions très spécifiques. Pour ce faire, les deux filets hexagonaux doivent être torsadés l'un contre l'autre à un angle de 1,1 degré. Dans ces conditions, une bande plate se forme dans la structure électronique. La préparation d'échantillons à partir de deux couches de graphène avec une torsion aussi précisément ajustée est complexe et ne convient pas à une production en série. Néanmoins, cette étude a beaucoup attiré l'attention des experts.

Le moyen simple de bandes plates

Mais il existe un moyen beaucoup plus simple de formation de bandes plates. Ceci a été démontré par un groupe du HZB autour du Prof. Oliver Rader et du Dr. Andrei Varykhalov lors d'enquêtes à BESSY II.

Les échantillons ont été fournis par le professeur Thomas Seyller, TU Chemnitz. Ils sont ensuite produits à l'aide d'un processus qui convient également à la production de grandes surfaces et en grandes quantités: un cristal de carbure de silicium est chauffé jusqu'à ce que les atomes de silicium s'évaporent de la surface, laissant d'abord une couche unique de graphène à la surface, puis une deuxième couche de graphène. Les deux couches de graphène ne sont pas tordues l'une contre l'autre, mais se superposent exactement.

Scanner la structure de la bande avec ARPES

À BESSY II, les physiciens sont en mesure d'analyser la structure dite de la bande de l'échantillon. Cette structure de bande fournit des informations sur la manière dont les porteuses de charge sont réparties entre les états autorisés quantiquement et sur les porteuses de charge disponibles pour le transport. La spectroscopie par photoémission résolue en angle (ARPES) de BESSY II permet de réaliser de telles mesures avec une résolution extrêmement élevée.

Par une analyse exacte de la structure de la bande, ils ont identifié un domaine qui avait été négligé auparavant. "La double couche de graphène a déjà été étudiée car il s’agit d’un semi-conducteur à bande interdite", explique Varykhalov. "Mais sur l'instrument ARPES de BESSY II, la résolution est suffisamment élevée pour reconnaître la zone plate à côté de cette bande interdite."

"Il s'agit d'une propriété occultée d'un système bien étudié", explique le Dr Dmitry Marchenko, premier auteur. "Auparavant, on ignorait qu'il y avait une zone plate dans la structure de la bande dans un système aussi simple et bien connu."

Cette surface plate est une condition préalable à la supraconductivité, mais uniquement si elle se situe exactement à l’énergie dite de Fermi. Dans le cas du graphène à deux couches, son niveau d’énergie n’est que de 200 milli-électron-volts en-dessous de l’énergie de Fermi, mais il est possible de relever le niveau d’énergie de la surface plane à l’énergie de Fermi soit par dopage avec des atomes étrangers, soit par appliquer une tension externe, dite tension de grille.

Les physiciens ont constaté que les interactions entre les deux couches de graphène et entre le graphène et le réseau de carbure de silicium sont conjointement responsables de la formation de la zone de bande plate. "Nous pouvons prédire ce comportement avec très peu de paramètres et pourrions utiliser ce mécanisme pour contrôler la structure de la bande", ajoute Oliver Rader.

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Plus d'information:
"Bande extrêmement plate en graphène bicouche" Progrès de la science (2018). DOI: 10.1126 / sciadv.aau0059, http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau0059