Le graphène des crayons révèle quatre formes de supraconductivité au sein d’une même structure

Sous la mine grise d’un simple crayon se cache une architecture atomique capable de défier les règles habituelles de la physique. Des chercheurs viennent d’y observer quatre états supraconducteurs, dont certains deviennent plus résistants lorsqu’un puissant champ magnétique tente de les détruire.

Une structure rare de graphène empilé qui se cache dans le graphite ordinaire

Un trait de crayon semble bien éloigné des laboratoires de physique quantique. Pourtant, le graphite qui le compose renferme parfois du graphène rhomboédrique. En effet, il s’agit d’un empilement naturel de feuilles de carbone. Ces couches, épaisses d’un seul atome, sont légèrement décalées. Ainsi, elles ressemblent aux marches minuscules d’un escalier invisible.

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Cependant, cette disposition reste rare dans le graphite. Pour la repérer, les chercheurs du MIT, de l’Université de Bâle et d’autres institutions ont utilisé une méthode simple. Ils ont exfolié le matériau avec du ruban adhésif. Derrière cette technique se cache un travail minutieux. Ainsi, les scientifiques ont isolé, couche après couche, des empilements de quatre ou cinq feuillets.

Une manipulation électronique révèle quatre états supraconducteurs distincts

Une fois le fragment identifié, l’équipe a modifié sa densité électronique. Pour cela, elle a utilisé des tensions électriques. En retirant progressivement des électrons, elle n’a pas observé un seul comportement. Au contraire, elle a découvert quatre états distincts. Ainsi, chacun apparaît dans des conditions précises. Le matériau semble donc changer de nature selon les réglages.

La supraconductivité apparaît lorsque des électrons forment des paires. Dès lors, ces paires circulent sans résistance électrique. Par conséquent, aucun échauffement ne se produit. L’énergie ne se dissipe pas. De nombreux matériaux présentent cette propriété. Cependant, ils doivent être refroidis à très basse température. Ainsi, il reste rare d’observer plusieurs formes dans une structure aussi simple.

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Cette diversité transforme le graphène rhomboédrique en laboratoire miniature. Désormais, les physiciens n’ont plus besoin de multiplier les matériaux. Ils peuvent explorer plusieurs états dans une plateforme unique et réglable. De plus, l’étude publiée dans Nature offre un accès direct à ces phénomènes. Elle éclaire ainsi des mécanismes encore mal compris.

Une résistance inattendue aux champs magnétiques jusqu’à des intensités extrêmes

L’expérience devient plus surprenante avec un champ magnétique. En général, ce champ détruit la supraconductivité. En effet, il sépare les paires d’électrons. Pourtant, ici, trois états ont résisté jusqu’à environ 9 teslas. Cela représente un champ près de 180 000 fois plus intense que celui de la Terre.

Dans certains cas, le champ ne se contente pas de préserver le phénomène. Au contraire, il le renforce. Ainsi, la température de transition augmente. Elle passe de 55 à près de 90 millikelvins. Certes, ces valeurs restent très basses. Pourtant, cette évolution intrigue les chercheurs. En effet, elle contredit le comportement attendu d’un supraconducteur classique.

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Des perspectives prometteuses pour des technologies quantiques plus flexibles

Une explication possible concerne le spin. Cette propriété quantique ressemble à une orientation magnétique. Dans les supraconducteurs classiques, les électrons ont des spins opposés. En revanche, dans le graphène rhomboédrique, certaines paires pourraient avoir des spins alignés. Ainsi, cela les rendrait moins sensibles aux champs magnétiques.

Cependant, cette hypothèse doit encore être confirmée. Elle pourrait rapprocher ces états de formes topologiques de la supraconductivité. De plus, ces formes intéressent les chercheurs en informatique quantique. Le matériau permet aussi des réglages électriques précis. Ainsi, cela ouvre la voie à des circuits supraconducteurs contrôlables et adaptables.

Bien sûr, aucun ordinateur ne fonctionnera demain avec une mine de crayon. En effet, les températures nécessaires restent trop basses. De plus, les échantillons sont encore fragiles. Pourtant, cette découverte change le regard sur les matériaux simples. Elle suggère ainsi que des propriétés inattendues restent à découvrir. Combien de secrets se cachent encore dans le graphite ?

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