Deux états supraconducteurs distincts trouvés dans le graphène en double couche de Bernal remettent en question les modèles actuels

19 février 2025

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

La supraconductivité est une propriété des matériaux largement recherchée, qui implique une résistance électrique nulle en dessous d'une température critique spécifique. Jusqu'à présent, elle a été observée dans divers matériaux, y compris récemment dans des allotropes de graphène multicouches (c'est-à-dire, des matériaux constitués de plusieurs couches d'un réseau hexagonal en carbone).

Des études récentes ont montré qu'en plaçant du graphène bicouche sur un substrat de WSe2 (tungstène diséléniure), sa phase supraconductrice est améliorée. Cela se traduit par une plus grande densité de porteurs de charge et une température critique plus élevée (c'est-à-dire, la température à laquelle un matériau devient un supraconducteur).

Des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara et du California Institute of Technology ont mené une étude visant à approfondir cette amélioration dans l'allotrope de graphite du graphène bicouche de Bernal. Leur article, publié dans Nature Physics, rapporte l'observation de deux états supraconducteurs distincts dans ce matériau, remettant en question les modèles actuels de l'appariement des électrons dans les allotropes de graphite.

"Avant ce travail, nous avions observé la supraconductivité dans le graphène bicouche sans WSe2 et nos collaborateurs de Caltech, le professeur Stevan Nadj-Perge et Yiran Zhang, un étudiant diplômé à l'époque, nous avaient parlé de leurs résultats récents de température critique plus élevée lorsque du graphène bicouche est proche de WSe2", a déclaré Ludwig Holleis, premier auteur de l'article, à Phys.org. "Nous avons commencé à examiner cette nouvelle supraconductivité et l'amélioration des températures critiques et des champs magnétiques."

L'objectif principal de l'étude récente menée par Holleis et ses collègues était de mieux comprendre l'amélioration des températures critiques et des champs magnétiques précédemment rapportée dans le graphène bicouche à proximité du WSe2, ainsi que l'état fondamental dont il émerge. Pour ce faire, ils ont examiné le même supraconducteur qui s'était révélé présenter la température critique la plus élevée lors d'une étude précédente menée à Caltech.

"Nous avons retrouvé le même supraconducteur dans l'échantillon que nous avons mesuré et avons également observé le deuxième supraconducteur qui présente une température critique beaucoup plus faible", a expliqué Holleis. "En principe, observer le supraconducteur est la partie facile car nous avons simplement effectué des mesures de résistance. Comprendre ensuite ses propriétés est plus difficile."

"Pour ce faire, nous avons réalisé des mesures d'oscillation quantique à haute résolution, qui mesurent la surface de Fermi des électrons – en termes simples, les états dans l'espace des moments où l'électron peut vivre."

De manière intéressante, les chercheurs ont constaté que les mesures collectées n'étaient pas compatibles avec la symétrie de rotation du cristal examiné. Au lieu de cela, ils ont observé une direction préférentielle, connue sous le nom de nématicité.

"La nématicité a été trouvée dans d'autres matériaux supraconducteurs tels que les supraconducteurs en fer, et elle pourrait jouer un rôle important pour la supraconductivité ici également", a déclaré Holleis. "Avec le deuxième résultat principal, la limite des champs critiques dans le plan par dépairement orbital, nous avons essayé de comprendre des données plus mystérieuses."

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"Fondamentalement, le champ magnétique critique dans le plan est généralement défini soit par la limite de Pauli, soit par le couplage de spin-orbite de type Ising, comme cela devrait être le cas ici. Aucun de ceux-ci ne semblait convenir aux données expérimentales."

Après avoir discuté de leurs mesures avec le physicien théoricien Prof. Erez Berg à l'Institut Weizman et son élève Yaar Vituri, Holleis et ses collègues ont proposé un nouveau mécanisme de dépariage pour la supraconductivité des moments orbitaux dans le plan. Leur travail pourrait bientôt inspirer de nouvelles études explorant les phases supraconductrices distinctes qu'ils ont observées, tout en contribuant à restreindre les théories prédisant les mécanismes d'appariement dans les allotropes de graphite.

"Nous avons déjà soumis un article de suivi sur la supraconductivité du graphène en tricouche avec WSe2, dirigé par deux autres étudiants diplômés de notre laboratoire, Caitlin Patterson et Owen Sheekey", a ajouté Holleis. "De manière générale, comprendre ces (maintenant nombreux) supraconducteurs dans le graphène multicouche est difficile, et actuellement nous travaillons sur de nouvelles techniques expérimentales pour en extraire leurs secrets."

Plus d'informations : Ludwig Holleis et al, Nematicité et désaccouplement orbital dans le graphène bicanneal superconducteur, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02776-7

Caitlin L. Patterson et al, Supraconductivité et basculement de spin dans le graphène tricouche rhomboédrique proximité avec l'effet de spin-orbite, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.10190

Informations sur la revue : Nature Physics, arXiv

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