Nouvelles Découvertes Scientifiques Sur La Structure Du Graphène Supraconducteur
Le Graphène est un matériau à base de carbone bidimensionnel constitué d'une couche de carbone d'épaisseur atomique qui peut être produite par décapage à partir du même graphite trouvé dans le noyau du crayon.Le matériau ultra - mince est entièrement constitué d'atomes de carbone disposés dans un motif hexagonal simple.Depuis que le Graphène a été isolé pour la première fois en 2004, les scientifiques ont découvert que le Graphène présente de nombreuses caractéristiques remarquables dans sa forme monocouche.
En 2018, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont découvert que si deux couches de Graphène étaient empilées sous un angle « Magique » très spécifique, la structure à double couche déformée pourrait présenter une forte supraconductivité.Dans cet état de matériau largement recherché, le courant peut passer sans perte d'énergie.Récemment, le même groupe de chercheurs a découvert un état similaire de supraconductivité dans trois couches tordues de Graphène - - une structure composée de trois couches de Graphène empilées dans un nouvel angle magique précis.
Maintenant, l'équipe rapporte que quatre et cinq couches de Graphène peuvent être tordues et empilées avec de nouveaux "angles magiques" qui excitent une forte supraconductivité à basse température.Cette dernière découverte, publiée dans la revue Nature Materials le 7 juillet 2022, établit les diverses configurations de torsion et d'empilement du graphène comme la première « famille » connue de supraconducteurs multicouches à angle magique.L'équipe a également identifié les similitudes et les différences entre les membres de la famille Graphène.
Cette nouvelle découverte pourrait servir de plan directeur pour la conception de supraconducteurs pratiques à température ambiante.Si les caractéristiques des membres de la famille peuvent être reproduites dans d'autres matériaux conducteurs naturels, elles peuvent être utilisées, par exemple pour le transport d'électricité sans perte de dissipation ou pour la construction de trains Maglev sans friction.
« le système de Graphène à angle magique est maintenant une « famille » légitime, dépassant plusieurs systèmes », a déclaré Jeong min (Jane) Park, auteur principal et étudiant diplômé en physique au MIT.« avoir cette famille est particulièrement important parce qu'elle offre un moyen de concevoir des supraconducteurs robustes.
Les co - auteurs du mit à Park sont Cao Yuan, Xia liqiao, Sun shuwen et Pablo Jarillo herrero, professeur de physique à Cecil et IDA Green, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi, de l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, au Japon.
L'équipe de Jarillo herrero a été la première à découvrir le Graphène à angle magique sous la forme d'une double structure de deux tranches de graphène, l'une placée sur l'autre, légèrement décalée à un angle précis de 1,1 degré.Cette configuration déformée, appelée superréseau molaire, transforme ce matériau en un supraconducteur puissant et durable à très basse température.
Les chercheurs ont également constaté que le matériau présentait une structure électronique appelée « bande plane » dans laquelle les électrons du matériau avaient la même énergie indépendamment de leur impulsion.Dans cet état de bande plate, et à très basse température, les électrons frénétiques ralentissent généralement assez rapidement pour s'accoupler dans ce qu'on appelle une paire Cooper - un élément fondamental de la supraconductivité qui peut passer à travers le matériau sans résistance.
Bien que les chercheurs aient observé que le Graphène bicouche déformé présentait à la fois une structure supraconductrice et une structure de zone plate, il n'était pas clair si le premier provenait du second.
« il n'y a aucune preuve que les structures à bandes plates conduisent à la supraconductivité, dit Park. Depuis lors, d'autres équipes ont produit d'autres structures tordues à partir d'autres matériaux qui ont des structures à bandes Plates, mais qui n'ont pas vraiment de supraconductivité puissante. Donc, nous nous demandons. Pouvons - Nous produire un autre type d'équipement à bandes plates? »
Lorsqu'ils ont examiné cette question, les calculs effectués par un groupe de l'Université Harvard ont confirmé mathématiquement que les trois couches de graphène, déformées à un angle de 1,6 degré, présentent également des bandes planes et suggèrent qu'elles peuvent être supraconductrices.Ils continuent de montrer que, si elles sont empilées et tordues correctement, le nombre de couches de Graphène présentant une supraconductivité ne devrait pas être limité à l'angle prévu.Enfin, ils ont prouvé qu'ils pouvaient mathématiquement relier chaque structure multicouche à une structure de bande plane commune - - une preuve convaincante que la bande plane peut conduire à une supraconductivité puissante.
« Ils ont étudié la possibilité d'avoir des couches de Graphène entier à des couches infinies qui pourraient correspondre à des expressions mathématiques similaires de structures à bandes plates », a déclaré Park.
Peu de temps après ce travail, l'équipe de Jarillo herrero a découvert qu'il y avait effectivement des bandes supraconductrices et plates dans les trois couches tordues de Graphène - - les trois couches de graphène, empilées ensemble comme des sandwiches au fromage, et la couche intermédiaire de fromage s'est déplacée de 1,6 degré par rapport à la couche externe sandwich au milieu.Mais la structure à trois couches présente également des différences subtiles par rapport à ses homologues à deux couches.
« Cela nous amène à nous demander où les deux structures conviennent pour l'ensemble de la catégorie de matériaux et si elles proviennent de la même famille? »Park a dit.
Une famille non conventionnelle
Dans la présente étude, l'équipe espère augmenter le nombre de couches de Graphène.Ils ont produit deux nouvelles structures, faites respectivement de quatre et cinq couches de Graphène.Chaque structure est empilée alternativement, semblable à un sandwich au fromage décalé tordu à trois couches de Graphène.
L'équipe a placé ces structures dans un réfrigérateur inférieur à 1 kelvin (environ - 273 degrés Celsius), a laissé le courant passer à travers chaque structure et a mesuré la sortie dans diverses conditions, semblable à l'essai de ses systèmes à deux et trois couches.
Dans l'ensemble, ils ont constaté que quatre et cinq couches de Graphène tordu présentaient également une forte supraconductivité et une structure à bande plate.Ces structures présentent également d'autres similitudes avec leurs homologues à trois couches, comme leurs réactions sous des champs magnétiques d'intensité, d'angle et de direction différents.
Ces expériences montrent que la structure déformée du graphène peut être considérée comme une nouvelle famille ou une classe de matériaux supraconducteurs ordinaires.Des expériences ont également montré qu'il pourrait y avoir un « mouton noir » dans la famille.La structure originale à deux niveaux déformée, tout en partageant des attributs clés, présente également des différences subtiles par rapport à ses « frères et sœurs ».Par exemple, des expériences antérieures de l'équipe ont montré que la supraconductivité de la structure est brisée à des champs magnétiques plus faibles et plus hétérogènes avec la rotation du champ magnétique que celle de la structure multicouche.
L'équipe a effectué des simulations pour chaque type de structure afin d'expliquer les différences entre les membres de la famille.Ils ont conclu que le fait que la supraconductivité du graphène bicouche déformé ait disparu dans certaines conditions de champ magnétique n'était dû qu'au fait que toutes ses couches physiques étaient présentes dans la structure sous une forme "non miroir".En d'autres termes, aucune des deux couches de la structure n'est miroir l'une contre l'autre, tandis que la structure multicouche du graphène présente une certaine symétrie miroir.Ces résultats suggèrent que le mécanisme qui conduit les électrons à s'écouler dans un état supraconducteur puissant est le même dans toute la famille des graphènes tordus.
« C'est très important », souligne Park.« sans le savoir, on pourrait penser que le Graphène à double couche est plus traditionnel que les structures multicouches, mais nous montrons que toute la famille peut être un supraconducteur robuste et non conventionnel.
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