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Record : un seul feuillet de graphène est devenu supraconducteur

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Des physiciens viennent de trouver le moyen d'obtenir un supraconducteur à partir d'un seul feuillet de graphène. On avait déjà obtenu des sandwichs de graphène et d'atomes de calcium supraconducteurs, mais il s'agissait donc de matériaux en 3D.

Supraconductivité : les secrets de la lévitation quantique  Difficile de ne pas éprouver une fascination envers la supraconductivité. Cette propriété quantique qui, entre autres prouesses, fait léviter les objets, est aujourd’hui au centre d’un grand nombre de recherches de pointe. Voici en vidéo un aperçu des plus belles lévitations quantiques. 

Il s'écoule en général des dizaines d'années avant qu'une découverte scientifique fondamentale trouve des applications importantes dans l'industrie et la vie de tous les jours. Celle de la supraconductivité a parcouru un long chemin depuis qu'elle a été mise en évidence en 1911. Mais même si on l'utilise aujourd'hui pour sonder les mystères de l'infiniment petit avec les aimants supraconducteurs du LHC, tenter de maîtriser la fusion avec Iter ou même résoudre des énigmes en cosmologie en utilisant des Squid afin de détecter des ondes gravitationnelles primordiales, elle reste confinée à des laboratoires. Il commence à y avoir tout de même quelques exceptions cependant comme le prouve l'utilisation récente d'un câble supraconducteur dans la ville allemande d'Essen (Ruhr) en remplacement d'un câble à haute tension long de 1 kilomètre reliant deux transformateurs.

Cela contrastera-t-il avec ce qui est en train de se passer avec le graphène ? Découvert il y a un peu plus de 10 ans, il apparaît comme un matériau miracle porteur d'une révolution prochaine, voire imminente, en électronique. Il ne s'agit pourtant que des simples feuillets composant le graphite dont l'épaisseur vaut un atome de carbone. Mais les exceptionnelles propriétés de conduction du graphène, sans compter celle de résistance mécanique, lui donnent, quand on en fait un semi-conducteur, le potentiel de remplacer les puces au silicium dans la course à la miniaturisation électronique.

Claude Aslangul, aux côtés de Richard Taillet, répond à la question : « À quoi sert la supraconductivité ? » dont le 100e anniversaire a été fêté en 2011. © DeBoeck Editions, YouTube

Vers une électronique supraconductrice avec le graphène ?

On rêve depuis quelques temps de marier les propriétés du graphène avec celle des supraconducteurs. On sait que la découverte d'un matériau supraconducteur à température ambiante bouleverserait notre vie de plusieurs façons. La conduction électrique se ferait partout sans perte, des champs magnétiques puissants, par exemple pour de l'IRM facile du cerveau, deviendraient aisés à réaliser. Il n'est donc pas inintéressant de se rappeler que l'on a trouvé de telles traces d'une supraconductivité à température ambiante dans le graphite.

En tout état de cause, des physiciens canadiens et allemands du Max-Planck-UBC Centre for Quantum Materials de l'université de la Colombie-Britannique (en anglais, University of British ColumbiaUBC) viennent de faire savoir dans un article déposé sur arXiv qu'ils étaient parvenus pour la première fois à rendre un feuillet de graphène supraconducteur. Il suffisait de le recouvrir partiellement d'atomes de lithium.

La performance est encore modeste puisque la transition de phase menant à l'état supraconducteur nécessite de refroidir le nouveau matériau en dessous de 5 kelvins. Ce qui est plutôt froid quand on pense à la température critique de certains cuprates, qui est proche de 130 kelvins, ou encore du sulfure d’hydrogène.

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Une vue d’artiste d’un feuillet de graphène « dopé » avec des atomes de lithium pour le rendre supraconducteur. Les atomes de carbone du réseau du graphène sont en gris. © University of British Columbia