Un clavier de matériaux en graphène

Pour fabriquer des composants électroniques modernes, il faut des matériaux aux propriétés totalement différentes. Il y a par exemple les isolants, qui ne conduisent pas le courant électrique, et les supraconducteurs, qui le transportent complètement sans perte. Pour obtenir un certain fonctionnement du composant, il faut en général assembler plusieurs de ces matériaux. Mais cela n'est souvent pas facile, en particulier pour les nanostructures aujourd'hui très répandues. Des chercheurs de l'ETH Zurich, sous la direction de Klaus Ensslin et Thomas Ihn au laboratoire de physique des solides, sont désormais parvenus à faire en sorte qu'un matériau se comporte tant?t comme un isolant, tant?t comme un supraconducteur - voire les deux à différents endroits du même matériau - en lui appliquant simplement une tension électrique. Ils ont publié leurs résultats dans la revue spécialisée Nature Nanotechnology. Ce travail a été soutenu par le P?le de recherche national QSIT (Quantum Science and Technology).

Des graphes à l'angle magique

Le matériau utilisé par Ensslin et ses collaborateurs porte le nom quelque peu encombrant de "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene". Derrière ce terme se cache en principe quelque chose de très simple et de connu, à savoir du carbone - mais sous une forme particulière et avec une torsion spéciale. Le point de départ est constitué par des tranches de graphène, c'est-à-dire des couches de carbone d'un atome d'épaisseur seulement. Les chercheurs superposent deux de ces couches de telle sorte que leurs axes cristallins ne soient pas parallèles, mais forment un "angle magique" d'exactement 1,06 degré. "C'est très délicat, et il faut aussi contr?ler précisément la température des tranches lors de la fabrication. C'est pourquoi les choses tournent souvent mal", explique Peter Rickhaus, qui a participé aux expériences en tant que post-doctorant.

Mais dans vingt pour cent des expériences, cela fonctionne et les réseaux cristallins atomiques des tranches de graphène forment alors ce que l'on appelle un motif moiré, dans lequel les électrons du matériau se comportent différemment que dans le graphène ordinaire. Les motifs moirés sont connus par exemple à la télévision, où l'interaction entre un vêtement à motifs et les lignes de la grille de l'image télévisée peut créer des effets optiques intéressants. Les chercheurs placent en outre plusieurs électrodes d'une centaine de nanomètres sur le disque de graphène à l'angle magique, ce qui leur permet d'appliquer une tension électrique au matériau. S'ils refroidissent ensuite le tout à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu, il se passe quelque chose d'étonnant : selon la tension appliquée, les disques de graphène se comportent soit comme un supraconducteur, soit comme un isolant - c'est-à-dire de manière complètement opposée. Cette supraconductivité commutable a déjà été démontrée en 2018 au Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux ?tats-Unis. Aujourd'hui encore, seuls quelques groupes dans le monde peuvent produire de tels échantillons.

Isolateur et supraconducteur dans le même matériau

Utilisation possible dans les technologies quantiques

Les chercheurs de l'ETH ont réussi à fabriquer le contact Josephson dans les couches de graphène tordues selon un angle magique à l'aide de différentes tensions sur trois électrodes et à mesurer ses propriétés. "Maintenant que cela a également fonctionné, nous pouvons nous essayer à des composants plus compliqués, comme les SQUIDs", explique de Vries. Dans les SQUID ("superconducting quantum interference device"), deux contacts Josephson sont reliés en un anneau. Techniquement, ils sont utilisés pour mesurer les champs magnétiques les plus petits, mais aussi dans les technologies modernes comme les ordinateurs quantiques. Pour les applications possibles dans les ordinateurs quantiques, il est en outre intéressant de savoir que les électrodes permettent de transformer les disques de graphène non seulement en isolants et en supraconducteurs, mais aussi en aimants ou en isolants dits topologiques, dans lesquels le courant ne peut circuler que dans une seule direction à travers le bord du matériau. Cela permettrait alors de réaliser différents types de bits quantiques (qubits) dans un seul composant.

Un clavier pour les matériaux

"Il s'agit toutefois encore de spéculation", déclare Ensslin. Il se montre toutefois enthousiaste quant aux possibilités offertes dès à présent par la commande électrique : "Nous pouvons pratiquement jouer du piano avec les électrodes sur le graphène". Les physiciens en attendent notamment de nouvelles connaissances sur la manière dont la supraconductivité est obtenue en détail dans le graphène de l'angle magique.