Une structure supermoiré révèle de nouvelles phases supraconductrices

Ces dernières années, les structures de graphène torsadé sont devenues un terrain d’exploration privilégié pour l’étude des matériaux quantiques. Lorsque deux couches de graphène sont tournées l’une par rapport à l’autre, elles forment des réseaux dits de moiré. À certains angles de rotation dits « magiques », les électrons interagissent fortement, donnant naissance à la supraconductivité et à des états isolants rappelant ceux des supraconducteurs à haute température.

On sait en revanche beaucoup moins ce qui se passe lorsque plusieurs réseaux de moiré se superposent pour former un motif encore plus vaste et plus complexe, appelé réseau supermoiré. Ce motif amplifie-t-il les effets déjà connus, ou permet-il l’émergence de phénomènes encore plus inattendus ?

Le réseau supermoiré impose un potentiel périodique à grande échelle qui transforme profondément la structure électronique du matériau, en créant de nouvelles sous-bandes d’énergie et en modifiant la manière dont les électrons se déplacent. Si les phénomènes fortement corrélés sont bien établis dans les réseaux de moiré classiques, l’interaction entre un réseau supermoiré et ces fortes corrélations électroniques restait jusqu’ici largement inexplorée.

Une équipe dirigée par la professeure Mitali Banerjee à l’EPFL a mis en évidence l’existence d’un réseau supermoiré dans un système de graphène trilayer torsadé. Comme les réseaux de moiré conventionnels, ce réseau supermoiré présente de la supraconductivité et de fortes corrélations électroniques. L’étude montre en outre que ce réseau permet de moduler ces phases quantiques.

Les résultats sont publiés dans la revue Nature Physics.

Construction d’un réseau supermoiré en graphène

Les chercheur·euses ont fabriqué un dispositif composé de trois couches de graphène, dans lequel les couches supérieure et inférieure sont tournées selon des angles différents par rapport à la couche centrale. Cette configuration brise la symétrie miroir du système et crée deux réseaux de moiré légèrement différents, qui se combinent pour former un réseau supermoiré.

Pour étudier le comportement des électrons, l’équipe a refroidi le dispositif à des températures proches du zéro absolu et appliqué de forts champs magnétiques. Elle a observé des signatures claires du réseau supermoiré sous la forme de motifs électriques répétitifs appelés oscillations de Brown–Zak et papillon de Hofstadter, révélant comment les électrons sont guidés par ce motif d’interférence à grande échelle.

Supraconductivité et nouveaux états quantiques

Les chercheur·euses ont montré que le potentiel supermoiré modifie en profondeur le paysage énergétique des électrons dans le graphène. Il fragmente la structure électronique continue du matériau en sous-bandes plus petites, appelées minibandes, donnant lieu à des comportements électroniques complexes et émergents.

Par exemple, l’équipe a observé des états où certaines symétries électroniques se brisent spontanément, même dans des conditions où elles sont normalement conservées. Cela montre que le réseau supermoiré renforce les interactions électroniques intrinsèques du système.

Elle a également constaté que la supraconductivité n’apparaît pas en un seul bloc, mais se divise en plusieurs régions distinctes séparées par des états isolants. Cette succession régulière d’états supraconducteurs et isolants suggère que le réseau supermoiré joue un rôle clé dans le contrôle de la supraconductivité.

L’étude montre ainsi que le réseau supermoiré peut servir de levier pour ajuster les états quantiques dans des matériaux à base de graphène, et ouvre de nouvelles pistes pour découvrir et concevoir des phases quantiques inédites.