Dans le laboratoire de l'université Cornell, des scientifiques sont tombés par hasard sur un matériau qui se comporte comme si deux mondes opposés d'électrons y coexistaient simultanément. Il s'agit du graphène rhomboédrique à six couches — six feuilles de carbone empilées avec un décalage selon un motif répétitif. Au lieu d'étudier des couches torsadées, les chercheurs ont obtenu un empilement régulier, et c'est précisément celui-ci qui a révélé des phases quantiques inattendues.
Le graphène est depuis longtemps connu pour sa solidité et sa conductivité, mais lorsque les couches s'empilent d'une certaine manière, les électrons se mettent à interagir beaucoup plus fortement entre eux. Dans la version à six couches, à une certaine densité de porteurs de charge et sous un champ électrique externe, apparaît un régime où électrons et trous coexistent et sont fortement corrélés. Cela rappelle une foule où chacun influence le mouvement de son voisin au lieu de simplement vaquer à ses occupations.
Les mesures ont montré la disparition de la résistance électrique — signe de supraconductivité — et un effet Hall anormal, indiquant un magnétisme orbital. Deux états supraconducteurs sont apparus précisément là où électrons et trous se croisent. Il semble que leur interaction joue un rôle clé dans la formation de ces phases, ce qui n'avait pas été observé dans le graphène à cinq couches.
Le dispositif a été placé entre des couches de nitrure de bore et contrôlé par le champ des grilles. En faisant varier la température, le champ magnétique et la concentration de porteurs, l'équipe a établi un diagramme de phases détaillé. On y voit clairement des isolants induits par les interactions, des régions de supraconductivité et deux types de magnétisme orbital. Les résultats ont été publiés dans Nature Physics.
Cette découverte est importante non seulement pour la physique fondamentale. Comprendre comment l'interaction des électrons et des trous engendre une supraconductivité sans mécanismes traditionnels pourrait rapprocher la création de matériaux fonctionnant à des températures plus élevées. De tels matériaux seraient utiles dans les ordinateurs quantiques, les lignes de transmission économes en énergie et de nouveaux capteurs.
Les chercheurs approfondissent actuellement la nature du magnétisme orbital. Ils vérifient l'hypothèse selon laquelle une partie des porteurs forme une structure semblable à un cristal, tandis que les autres restent dans un état semblable à un liquide. Ces questions dépassent le cadre du travail actuel, mais il est déjà clair que le graphène à six couches est devenu un nouveau terrain d'étude des corrélations quantiques.
Cette découverte fortuite rappelle une fois de plus que, dans le monde des matériaux bidimensionnels, il suffit de changer le nombre de couches ou leur disposition mutuelle pour que des propriétés familières se transforment en quelque chose de totalement nouveau.
