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Le graphène supraconducteur au calcium, prometteur et mieux compris

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Deux types de matériaux reviennent de façon récurrente sur le devant de la scène médiatique depuis quelques années : ceux à base de graphène et les supraconducteurs. Voici les deux réunis dans ce travail réalisé par un groupe de chercheurs de l'université Stanford. L'équipe a élucidé les phénomènes à l'œuvre au sein d'un matériau à base de graphène et de calcium aux propriétés supraconductrices. De quoi envisager une nouvelle électronique...

La structure du calcium-graphite est présentée sur cette image d'artiste. Des atomes de calcium (sphères orange) entre les plans de graphène (nid d'abeille bleu) forment ce matériau supraconducteur cristallisé dont la formule est CaC6. Des physiciens du Slac ont montré pour la première fois que le graphène est un acteur clé dans le phénomène de supraconductivité que CaC6 peut présenter. Les électrons vont et viennent entre les couches de graphène et de calcium, en formant des paires de Cooper. © Greg Stewart, Slac

La découverte de la supraconductivité a eu lieu voici à peine plus de 100 ans, en 1911. Celle du graphène a dix ans cette année, et les deux avancées ont donné lieu à des prix Nobel en physique. La supraconductivité a parcouru un long chemin. On l'utilise 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.

Le graphène apparaît comme un matériau miracle porteur d'une révolution prochaine en électronique. Pourtant, il s'agit simplement de feuillets composant le graphite dont l'épaisseur vaut un atome de carbone. Mais ses exceptionnelles propriétés de conduction lui donnent, quand on en fait un semi-conducteur, le potentiel de remplacer les puces au silicium dans la course à la miniaturisation électronique.

Du calcium-graphite étudié avec de la lumière ultraviolette

Remarquablement, on connaissait depuis plusieurs années l'existence d'un matériau à base de graphène et contenant des atomes de calcium doté de propriétés supraconductrices. Les physiciens du solide ne savaient pas vraiment si l'état supraconducteur dans ce matériau s'expliquait principalement par les propriétés du graphène ou plutôt par la présence des atomes de calcium. Comprendre le mécanisme à l'œuvre est important, parce que cela pourrait constituer une clé pour concevoir ou découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs à base de graphène. On sait aussi qu'il existe des signes d'un état supraconducteur à température ambiante dans le graphite. Une nanoélectronique avec des composants en graphène supraconducteur pouvant être révolutionnaire à de nombreux point de vue, le cas du calcium-graphite (CaC6) méritait d'être examiné de plus près.

Vue de l'intérieur du bâtiment hébergeant la SSRL (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), à Stanford. On l'utilise pour produire des faisceaux de rayons X et ultraviolets permettant de comprendre les propriétés des matériaux. © Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, DP

C'est ce que viennent de faire des membres du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (Simes) en utilisant une ligne de lumière ultraviolette (comme on dit dans le jargon des physiciens pour désigner un faisceau de lumière issue d'un synchrotron) disponible à la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du Slac. Ils ont exposé les résultats de leurs travaux dans un article de Nature Communications.

Supraconducteurs à base de graphène

Le CaC6 fait partie des composés d'insertion du graphite. Encore appelés composés d'intercalation du graphite, ce sont des matériaux complexes dont la formule générale XCy où X est un élément chimique (ou une molécule) inséré, intercalé entre les couches de graphène constitutives du graphite. On sait fabriquer de grosses quantités de CaC6 par immersion de graphite pyrolytique dans un alliage Li-Ca bien choisi fondu pendant un long moment (dix jours à 350 °C). L'annonce de la découverte d'un état supraconducteur dans le calcium-graphite remonte à 2005.

En sondant la structure électronique du CaC6 avec des ultraviolets, les chercheurs ont mieux compris comment les électrons se comportent dans les couches de graphène et de calcium intercalé et comment se forment, avec des phonons, les paires de Cooper responsables de son état supraconducteur. Ils ont découvert que le graphène, en plus des atomes de calcium, joue un rôle important dans l'apparition de cet état. Selon les physiciens, on peut donc bel et bien envisager de futurs composants à base de graphène supraconducteur qui pourraient inclure des transistors ultrahaute fréquence analogiques, des capteurs nanométriques, des éléments électromécaniques et même des dispositifs capables de faire des calculs quantiques.

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