La convergence remarquable du graphine et de la supraconductivité

La découverte du graphène en 2004 par Andre Geim et Konstantin Novoselov, un exploit qui leur a valu le prix Nobel de physique en 2010, a ouvert un tout nouveau domaine de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux. Cette seule couche d'atomes de carbone, disposée en treillis bidimensionnel en nids d'abeilles, présente une combinaison extraordinaire de propriétés : c'est le matériau le plus mince connu, mais mécaniquement plus fort que l'acier; elle conduit l'électricité avec une résistance minimale à la température ambiante; et elle possède une conductivité thermique dépassant celle du diamant. Ces caractéristiques uniques ont fait du graphène la pierre angulaire d'innombrables innovations technologiques.

La supraconductivité, observée pour la première fois dans le mercure par Heike Kamerlingh Onnes en 1911, a captivé les physiciens pendant plus d'un siècle. Le phénomène offre le potentiel de transmission de puissance sans perte, d'électroaimants ultra-forts pour IRM et accélérateurs de particules, et de composants révolutionnaires de calcul quantique. Pourtant, son déploiement pratique a été fortement limité par la nécessité de températures de fonctionnement extrêmement basses, généralement inférieures à 30 kelvin (−243 °C). Bien que les supraconducteurs à haute température (cuprates, composés à base de fer) aient augmenté la température critique (Tc) à plus de 77 K (−196 °C) – la température de l'azote liquide – la supraconductivité de la température ambiante reste insaisissable.

Les propriétés uniques qui font du graphine un activateur de supraconducteur

Transports électriques exceptionnels

La structure électronique du graphine est fondamentalement différente de celle des métaux conventionnels. Dans le graphine pur, les porteurs de charge se comportent comme des fermions Dirac sans masse, se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse Fermi (environ 1/300ème de la vitesse de la lumière). Cela entraîne la mobilité intrinsèque de tout matériau connu, jusqu'à 200 000 cm2/V à température ambiante dans des conditions optimales. Cette mobilité signifie que les électrons (ou les trous) peuvent parcourir de longues distances sans dispersion, une qualité qui profite directement à la formation et au transport des paires Cooper (les électrons appariés responsables de la supraconductivité).

Résistance mécanique et flexibilité

Malgré sa résistance à la traction d'environ 130 gigapascals, le graphiène est le matériau le plus puissant jamais mesuré. Il est également remarquablement flexible, capable de s'étirer jusqu'à 20% de sa longueur d'origine sans rupture. Pour les applications supraconducteurs, cette robustesse mécanique permet d'utiliser le graphine comme renfort structurel dans les supraconducteurs céramiques fragiles (comme YBCO, YBa2Cu3O7−↓), améliorant leur résilience contre le cycle thermique, la contrainte mécanique et la microcraquage.

Superbe conductivité thermique

La conductivité thermique du graphine peut dépasser 5000 W/m·K à température ambiante, soit plus de dix fois celle du cuivre. La gestion de la chaleur est un problème critique dans les systèmes supraconducteurs : même si les supraconducteurs transportent du courant sans chauffage résistif, l'environnement cryogénique et toute région normale (comme les conduits ou les joints de courant) génèrent de la chaleur qui doit être efficacement dissipée.

Le défi fondamental de la supraconductivité à haute température

Pour apprécier la contribution du graphine, il faut comprendre l'obstacle central au développement des supraconducteurs. La supraconductivité conventionnelle, telle que décrite par la théorie BCS (après Bardeen, Cooper et Schrieffer), se produit lorsque les électrons forment des paires de Cooper par vibrations de treillis (phonons).L'énergie de liaison de ces paires est petite, fixant généralement une limite supérieure théorique pour Tc autour de 30 à 40 K sous pression ambiante.Bien que des supraconducteurs à température élevée existent (cuprates, pnictides de fer, etc.), leurs mécanismes ne sont pas pleinement compris et impliquent souvent des structures cristallines complexes et anisotropes difficiles à traiter et à échellener.

Le graphine offre plusieurs voies pour surmonter ces obstacles : il peut servir de substrat atomiquement plat pour la croissance épitaxiale de films minces supraconducteurs, une couche de dopage qui module la densité du porteur, un modèle flexible pour l'ingénierie des déformations, et même comme une plate-forme où la supraconductivité émerge de corrélations purement électroniques (comme dans le graphiène bicouche tordu par angle magique).

Graphene , le rôle multifaces dans l'amélioration des supraconducteurs

Modulation du dopage électronique et de la densité du transporteur

La température critique de nombreux supraconducteurs est très sensible à la concentration du porteur. Par exemple, dans le MgB2 (diborure de magnésium), le Tc peut être réglé par dopage chimique. Le graphiène, en raison de son effet champ ambipolaire, peut doper des matériaux adjacents lorsqu'il est utilisé comme électrode de porte ou comme intercouche. En appliquant une tension sur une couche de graphiène placée sur un supraconducteur, on peut ajuster la densité du porteur de charge à l'interface. Cette technique de dopage électrostatique a été utilisée pour moduler Tc dans des films minces de matériaux comme MoS2 et WS2. De plus, le graphiène a une surface extrêmement élevée par unité de masse maximise la surface d'interface disponible pour le dopage, ce qui permet un contrôle plus fin des propriétés du supraconducteur que les méthodes de dopage chimique classiques.

Ingénierie de la souche via le substrat de Graphene

La structure du réseau d'un supraconducteur influence directement ses bandes électroniques et donc son écart supraconducteur. L'application de la souche peut modifier le spectre du phonon et le couplage électron-phonon, ce qui peut améliorer Tc. Le graphiène, avec ses propriétés mécaniques exceptionnelles, peut être utilisé comme substrat flexible et induisant la souche. Par exemple, en cultivant un film supraconducteur sur le graphine, puis en étirant ou en comprimant le substrat du graphiène, les chercheurs peuvent imposer une souche contrôlée et uniforme au supraconducteur. Cette technique a été explorée pour des matériaux comme NbSe2 et FeSe, avec des indications prometteuses d'amélioration du graphine.

Effet de proximité et amélioration de la réflexion Andreev

Lorsqu'un métal normal est placé en bon contact électrique avec un supraconducteur, les paires Cooper peuvent s'infiltrer dans le métal normal sur une échelle de longueur caractéristique (longueur de cohérence). Cet effet de proximité est essentiel pour construire des dispositifs supraconducteurs tels que les jonctions Josephson et SQUID. Graphene est une région idéale pour ces jonctions, à mobilité élevée et à faible densité d'états normaux à l'interface. Les expériences ont démontré que les jonctions Josephson basées sur le graphène peuvent supporter des supercourants sur de longues distances (micromètres) en raison du transport balistique des électrons. De plus, le phénomène de réflexion d'Andreev – où un incident d'électrons du côté normal se reflète comme un trou alors qu'une paire Cooper passe dans le supraconducteur – est très efficace en graphiène, ce qui conduit à des courants critiques améliorés.

Ingénierie du mode Phonon

Dans les supraconducteurs conventionnels, l'énergie des phonons qui servent de médiateurs à l'appariement électronique établit l'échelle pour Tc. Graphene a un spectre de phonons distinct, en particulier les modes hors plan (flexural) qui sont uniques aux matériaux 2D. En plaçant le graphène en contact intime avec un supraconducteur, de nouveaux modes de phonon peuvent s'hybrider, augmentant potentiellement la résistance effective au couplage électron-phonon. Certaines études théoriques suggèrent que les monocouches de graphène peuvent adoucir certains modes de phonon de films adjacents, ce qui améliore la température de transition supraconducteur.

Composites supraconducteurs à base de graphine : renforcement et fonctionnalité

Les superconducteurs pratiques, particulièrement les variétés céramiques à haute température comme le REBCO (oxyde de cuivre baryum de la terre raire) et le BSCCO (oxyde de cuivre de calcium de bismuth), sont notoirement fragiles et sensibles aux limites des grains. L'incorporation du graphène dans la matrice de ces matériaux s'est avérée efficace pour atténuer ces problèmes. Un composite de supraconducteurs typique est préparé en mélangeant l'oxyde de graphine (GO) ou l'oxyde de graphine réduit (rGO) avec les poudres de précurseurs avant le frittage. Le matériau résultant montre une densité améliorée, une fissuration réduite et une connectivité accrue entre les grains.

Comme mentionné, la conductivité thermique élevée du graphine aide à dissiper rapidement la chaleur locale, empêchant ainsi les fuites thermiques qui peuvent mener à une extinction. Par exemple, une étude intégrant des flocons de graphine dans des fils MgB2 a trouvé une réduction significative du taux de fuite thermique sous des densités de courant élevées. De plus, la flexibilité du graphine permet de former ces composites en fils et bandes par le biais de procédés de dessin ou de laminage qui pourraient autrement fracturer des supraconducteurs céramiques purs.

Les percées récentes et les jalons

MgB2–Hybrides de graphène

Le diborure de magnésium (MgB2), avec un Tc de 39 K, est un supraconducteur relativement peu coûteux adapté aux applications à des températures liquides de l'hydrogène (20 K). Les chercheurs ont ajouté de petites quantités (1-5 % en poids) de nanoplaquettes de graphine aux vracs et fils de MgB2. Les résultats ont montré une légère augmentation de Tc (de 1-2 K) et une amélioration substantielle de Jc, particulièrement dans les champs magnétiques.Par exemple, une étude de 2018 a rapporté une amélioration de Jc de plus de 50% à 20 K et 5 T. Les ajouts de graphiène ont raffiné la structure du grain, réduit la porosité et introduit des sites de picotement supplémentaires.

YBa2Cu3O7−↓ (YBCO) Conducteurs enduits de graphine

Le YBCO est l'un des supraconducteurs à haute température les plus étudiés, avec Tc autour de 92 K. Cependant, sa forme polycristalline souffre de maillons faibles aux frontières des grains. En 2020, une équipe de l'Université de Houston a signalé que l'incorporation de flocons de graphine dans la matrice du YBCO à l'aide d'une méthode de dépôt de solution chimique a augmenté la densité critique du courant de près de trois fois à 77 K dans l'auto-portrait.

Diagramme de Bilayer tordu en forme de magie

La découverte la plus éblouissante est peut-être survenue en 2018 lorsque Pablo Jarillo-Herrero , groupe au MIT, a montré que le graphène bicouche, tordu à un angle -magique précis d'environ 1,1°, présente un comportement électronique fortement corrélé et peut devenir un supraconducteur avec un Tc allant jusqu'à 1,7 K. C'était la première démonstration de supraconductivité intrinsèque dans un système de carbone pur, dépourvu d'éléments magnétiques. Le mécanisme est considéré comme étant d'origine électronique, non phononique, ouvrant une nouvelle voie à la supraconductivité à haute température. Des recherches ultérieures ont montré que la supraconductivité en graphiène à angle magique peut être réglée par des champs et des souches électriques, ce qui lui donne une remarquable thonabilité.

Superconducteurs à base de fer amélioré par le graphine

Les supraconducteurs à base de fer (p. ex. FeSe, SmFeAsOx) ont attiré l'intérêt pour leur haute Tc (jusqu'à 56 K) et leur symétrie d'appariement inhabituelle. Des travaux récents ont montré que le FeSe monocouche interfaçage avec le graphiène peut augmenter son Tc à au-delà de 100 K dans certaines conditions, bien que l'effet soit débattu. Le Graphène sert de plate-forme pour le transfert de contraintes et de charges, et l'interface semble stabiliser la phase à haute Tc. Cette ligne de recherche aide à déconvoluer la physique complexe des supraconducteurs à base de fer et peut conduire à de nouvelles familles de supraconducteurs avec des températures critiques encore plus élevées.

Défis et voie à suivre

Bien que le potentiel de graphiène dans la technologie des supraconducteurs soit immense, plusieurs obstacles demeurent avant une adoption commerciale généralisée. L'évolutivité et le coût sont des préoccupations principales : produire des films de graphiène de grande qualité à un prix qui concurrence les matériaux stabilisateurs conventionnels sont toujours difficiles. Le graphiène de dépôt chimique de vapeur (CVD) est maintenant disponible dans le commerce, mais le transférer sur des substrats supraconducteurs sans résidus ni rides reste un processus laborieux. La qualité d'interface est cruciale : les contaminants ou la rugosité à l'échelle atomique à la jonction graphiène-superconducteur peuvent dégrader gravement l'effet de proximité et affaiblir la supraconductivité.

Dans de nombreux systèmes, on ne sait pas si l'amélioration résulte de l'influence électronique du graphine, du renforcement mécanique, de la gestion thermique ou d'une combinaison. Des études plus systématiques sont nécessaires pour démêler ces contributions et établir des règles de conception pour une charge optimale du graphine et une morphologie. De plus, des modèles théoriques qui capturent avec précision l'interaction des électrons Dirac avec les paires Cooper sont encore en cours de développement.

En regardant vers l'avenir, la recherche de la supraconductivité de température ambiante demeure le Saint Graal. Le graphiene, en raison de sa structure de bande électronique unique et de sa capacité à accueillir de fortes corrélations (comme dans les bicouches tordues), continue d'offrir de nouveaux angles d'attaque. La découverte de la supraconductivité dans le graphine bicouche à 1,7 K, bien que loin de la température ambiante, a prouvé que le carbone seul peut se superconduir, fait qui n'était pas évident du tout.

Enfin, l'intégration des dispositifs[ exige que les supraconducteurs à base de graphène soient compatibles avec les procédés de fabrication standard CMOS. Surmonter la sensibilité à l'oxydation de certains matériaux supraconducteurs et la sensibilité du graphène à la manipulation sont des défis techniques qui impliqueront de nouveaux schémas d'encapsulation et de couches de passivation.

Conclusion

L'intégration du graphène dans la recherche et le développement des supraconducteurs est un exemple frappant de la façon dont un matériau unique peut catalyser les progrès sur un domaine entier.De l'amélioration des performances électriques et mécaniques des supraconducteurs établis comme MgB2 et YBCO, à la possibilité de nouveaux états supraconducteurs dans le graphène bicouche tordu, cette feuille de carbone atomiquement mince a déjà eu un impact important. Bien que nous soyons encore loin d'un supraconducteur à température ambiante qui pourrait transformer l'infrastructure énergétique mondiale, les progrès rendus possibles par le graphène nous ont rapprochés de cet objectif.

Pour plus de détails, voir le communiqué de presse du prix Nobel sur le graphène (Nobelprize.org) et la revue sur les supraconducteurs à base de graphène dans Physique de la nature.Une étude clé sur le graphène à angle magique se trouve dans Science[