Supraconductivité dans une bicouche WSe₂ filée inférieure à 0,2 K

La supraconductivité dans le graphène bicouche à rotation à angle magique (MATBG) est l’étincelle qui a allumé le chemin vers le prix Nobel de physique pour l’Espagnol Pablo Jarillo-Herrero. Un phénomène exceptionnel qui nécessite son observation dans d’autres bicouches en rotation de matériaux bidimensionnels, comme les dicalcogénures de métaux de transition. Il est publié dans Nature l’observation de la supraconductivité dans une bicouche en rotation de diséléniure de tungstène (WSe₂) avec un angle compris entre 3,5 et 3,65 degrés, avec une température critique de 0,2 K. La pertinence de ce résultat est que WSe₂ est une monocouche semi-conductrice (avec une bande interdite de saut de 1,6 eV), tandis que le graphène monocouche est un semi-métal. La supraconductivité dans la petite bicouche en rotation WSe₂ suggère que l’origine de la supraconductivité du MATBG pourrait n’être pas liée à sa semimétallicité (sa structure de cône de Dirac). Un indice qui pourrait être la clé d’une future théorie expliquant ce phénomène.

De nombreuses théories qui tentent d’expliquer la supraconductivité du MATBG se heurtent à deux handicaps, le premier, expliquant le rôle de l’angle magique (dont l’origine est les cônes de Dirac du graphène), et le second, expliquant pourquoi d’autres matériaux bidimensionnels en rotation le font. non Ils semblaient être des supraconducteurs. Le nouvel article suggère une réponse pour les deux. La bicouche en rotation WSe₂ (tWSe₂) a des bandes plates pour un angle magique de 1,43 degrés, mais sa supraconductivité a été observée pour des angles compris entre 3,5 et 3,65 degrés, la première bicouche en rotation sous un petit angle étant un état supraconducteur. Mais, en outre, la supraconductivité dans la bicouche en rotation WSe₂ présente de nombreuses propriétés observées dans le MATBG, en particulier celles qui indiquent de fortes corrélations entre les électrons des deux couches et une supraconductivité non conventionnelle. Tout indique que les théories actuelles qui abusent des propriétés spécifiques des bicouches de graphène devront être reformulées pour prendre en compte d’autres aspects plus généraux de ces matériaux de type moiré (moiré).

Bien entendu, l’utilité pratique des matériaux supraconducteurs avec des températures critiques de l’ordre du kelvin est très limitée ; bien qu’ils pourraient être prometteurs pour le développement de qubits supraconducteurs pour les futurs ordinateurs quantiques. Malgré cela, l’importance des matériaux moirés réside dans le fait qu’ils constituent des plates-formes expérimentales permettant d’étudier de nombreux phénomènes physiques encore entourés d’un grand nombre d’inconnues. Le nouvel article est Yiyu Xia, Zhongdong Han,…, Kin Fai Mak, « Superconductivity in twisted bilayer WSe₂ », Nature (30 octobre 2024), doi : (La pertinence de l’article est prouvée puisque sa prépublication de mai 2024 a déjà été citée 15 fois).

Je vous rappelle que les chalcogénures de métaux de transition (TMD) sont des semi-conducteurs bidimensionnels de formule MX₂, où M est Mo ou W, et X est S, Se ou Te. Leurs monocouches ont une structure hexagonale qui ressemble à une monocouche de graphène, mais elles présentent des bandes interdites (c’est pourquoi ce sont des semi-conducteurs) avec un fort couplage spin-orbite de type Ising (c’est pourquoi ce sont des matériaux topologiques). Les bicouches TMD pivotées présentent des bandes plates pour certains angles magiques, indiquant la présence de fortes corrélations électroniques conduisant à des isolants de Mott, des cristaux de Wigner, des fermions lourds et des propriétés topologiques telles que les isolants fractionnaires de type Chern et à effet Hall quantique. Ce sont sans aucun doute des matériaux bidimensionnels très intéressants.

Dans le nouvel article, l’angle tWSe₂ est estimé à l’aide de la densité d’états du moiré, en particulier (4,25 ± 0,03) × 10¹² cm⁻², ce qui implique un angle de 3,65° ± 0,01°. La bicouche a été encapsulée entre des multicouches de nitrure de bore hexagonal (hBN), comme le montre la figure qui ouvre cette pièce. Pour mesurer la supraconductivité, des contacts en palladium (Pd) sont utilisés en partie supérieure et en platine (Pt) en partie inférieure. Dans les expériences, le tWSe2 est refroidi à des températures de quelques millikelvins (mK).

La structure de bande électronique de la bicouche tWSe2 pour 3,65° a été calculée avec un modèle théorique (voir la figure juste au dessus). Deux vallées K et K’ sont observées avec des bandes de moiré de numéro de Chern +1 et -1, respectivement. La densité d’états électroniques (DOS) montre une singularité de Van Hove (vHS) proche du niveau de remplissage électronique ν = 0,75, associée au point selle (m sur la figure) pour la zone moirée de Brillouin. La résistivité pour 50 mK montre des états isolants pour les remplissages ν = 1/4, ν = 1/3 et ν = 1. Le plus surprenant est l’apparition d’un état isolant pour le remplissage ν = 1 avec une résistance nulle. Cet état est robuste, mais disparaît lorsque la température augmente (sur la figure de gauche pour 0,05 K et de droite pour 0,3 K). Cet état de résistance nulle n’est pas connecté au vHS pour ν = 0,75.

L’état supraconducteur montre une courbe dV/dI pour un champ magnétique nul (B = 0) avec une température de transition T_BKT (Berezinskii – Kosterlitz – Thouless) d’environ 180 mK et une température critique pour l’appariement Cooper T_P. de 250 mK. Le courant critique à 50 mK est estimé à 5 nA, valeur qui diminue de façon monotone à mesure que la température augmente. En appliquant des champs magnétiques B (de 0 à 150 mT, milliteslas), on observe la disparition de la supraconductivité. Le champ critique est estimé à 6 mT. Les valeurs du courant critique et du champ magnétique critique sont trop faibles pour la plupart des applications pratiques. Mais la pertinence de la supraconductivité de ce matériau relève de la science fondamentale et non de la science appliquée.

Le matériau se comporte comme un métal des deux côtés de l’état supraconducteur. L’état métallique au-dessus du remplissage ν = 1 est normal (un liquide de Fermi), sa résistance étant une fonction quadratique de la température, R = R₀ + A T². Cet état métallique conventionnel évolue au-dessus de la température de cohérence (T_coh sur la figure). Cependant, en dessous du remplissage ν = 1 l’état métallique observé n’est pas compatible avec un liquide de Fermi, mais plutôt comme un métal pauvre. Pour des températures supérieures à une certaine valeur T^* (qui présente un minimum sur la figure) le transport cohérent des électrons passe dans un régime incohérent.

En fonction du niveau de dopage (champ électrique appliqué), un passage de supraconducteur à isolant est observé pour un remplissage de ν = 1 (partie gauche de la figure). Toutes les courbes de résistance en fonction du champ appliqué coïncident entre elles et s’effondrent jusqu’à une valeur constante pour des températures supérieures à 4 K (comme illustré sur la figure de droite). Le champ électrique critique pour la transition supraconducteur-isolant est E_C≈ 11,7 mV nm⁻¹.

Sans entrer dans les détails, un état supraconducteur robuste a été observé pour la première fois dans un métaldicalkogénure de transition bicouche en rotation (avec un angle supérieur à son angle magique pour les bandes plates). Ce résultat suggère que la même chose se produira pour beaucoup d’autres, dont certains auront des températures critiques, des courants et des champs magnétiques plus élevés (peut-être d’une plus grande utilité dans de futures applications pratiques). Quoi qu’il en soit, la grande pertinence pratique de ce résultat se concentre sur la science fondamentale, la construction de théories qui expliquent cette supraconductivité et qui expliquent peut-être aussi celle du graphène bicouche tourné selon un angle magique. Ou peut-être pas, ce qui pourrait être une surprise supplémentaire.