Un lien surprenant entre métallicité et supraconductivité découvert dans le graphène trilayer torsadé

Les états inhabituels de la matière quantique

La supraconductivité est un état de la matière caractérisé par une résistance électrique nulle, qui se produit généralement à des températures extrêmement basses. La journaliste Ingrid Fadelli rappelle que des études antérieures ont révélé que cet état unique s’accompagne d’agencements électroniques tout à fait inhabituels dans divers matériaux.

Dans certains supraconducteurs, les électrons s’alignent spontanément dans une direction privilégiée. Ce phénomène rompt une propriété connue sous le nom de symétrie de rotation. Cet arrangement directionnel des électrons porte un nom spécifique en physique : la nématicité électronique.

Certains de ces supraconducteurs présentent une autre particularité, appelée la métallicité étrange. Il s’agit d’une phase caractérisée par des changements inhabituels dans la résistance électrique d’un matériau, des variations qui ne peuvent être expliquées par les théories physiques standard. Des chercheurs de l’Université Brown, de l’Université Harvard et de l’Institut national des sciences des matériaux du Japon ont récemment mené une étude pour enquêter sur l’interaction entre ces trois phénomènes. Leurs découvertes, publiées dans Nature Physics, offrent un nouvel aperçu des mécanismes fondamentaux qui sous-tendent la supraconductivité non conventionnelle.

L’angle magique et l’anisotropie de transport

Pour mener à bien leurs travaux, les scientifiques se sont penchés sur un matériau très spécifique : le graphène tricouche torsadé à angle magique. Il s’agit d’une structure composée de trois couches de graphène empilées les unes sur les autres selon un angle précis. J.I.A. Li, auteur principal de l’article, a expliqué la genèse de ce projet au média Phys.org.

« Notre article récent est né d’une question de longue date dans le domaine de la supraconductivité non conventionnelle : comment l’émergence de la supraconductivité influence-t-elle la symétrie angulaire du transport électronique », précise le chercheur. « Dans notre travail, nous nous sommes concentrés sur un matériau connu sous le nom de graphène tricouche torsadé à angle magique, où les électrons interagissent très fortement et forment une large gamme d’états quantiques inhabituels. Le thème central de cette étude est l’anisotropie de transport, qui décrit comment le courant électrique se comporte différemment selon la direction dans laquelle il circule. »

J.I.A. Li et ses collègues ont cherché à comprendre comment les propriétés directionnelles de la phase métallique de ce matériau, qui émergent juste avant sa transition vers un état supraconducteur, sont liées à la phase supraconductrice qui apparaît à des températures plus basses. « Historiquement, les scientifiques ont compris que la symétrie angulaire de la supraconductivité contient des indices importants sur son mécanisme sous-jacent », ajoute J.I.A. Li. « Cependant, l’interprétation de cette symétrie a été difficile car l’état métallique normal au-dessus de la transition supraconductrice est souvent déjà anisotrope. Cela soulève une question fondamentale : l’anisotropie de la phase métallique influence-t-elle la phase supraconductrice qui en émerge ? Cette question a été la principale source d’inspiration de notre travail. »

Une expérience inédite basée sur la rotation du courant

Avant cette étude, le lien entre les propriétés directionnelles de la phase métallique et celles de la phase supraconductrice des matériaux restait largement inexploré. Les chercheurs ont donc voulu développer un nouveau cadre expérimental permettant de suivre comment les propriétés électroniques directionnelles d’un matériau évoluent continuellement de l’état métallique à l’état supraconducteur.

L’équipe a mis au point un nouveau type d’expérience quantique. Au lieu de mesurer la résistance électrique du matériau le long d’une seule direction, comme le faisaient la plupart des expériences précédentes, ils ont mesuré la circulation des électrons tout en modifiant systématiquement la direction du courant à travers l’échantillon, enregistrant ainsi les changements de résistance. « Cela nous a permis de cartographier la symétrie angulaire de la réponse électronique avec une grande précision », explique J.I.A. Li.

« En utilisant cette approche, nous avons examiné comment le transport électrique se comporte dans trois régimes étroitement liés : la phase métallique au-dessus de la transition supraconductrice, la phase supraconductrice à basse température, et une soi-disant phase métallique étrange qui montre une dépendance inhabituelle à la température », détaille le scientifique. « Cette technique de mesure directionnelle nous a permis de comparer directement comment les propriétés électroniques évoluent au fur et à mesure que le système passe d’une phase à l’autre. » « En développant des mesures de transport à résolution angulaire qui suivent comment le comportement électronique change avec la direction, nous avons créé un outil qui permet aux chercheurs de sonder directement la symétrie angulaire d’états quantiques complexes », affirme-t-il, soulignant que cette méthode évite d’examiner les phases de manière isolée.

Une relation surprenante entre résistance et conduction

Les mesures effectuées par l’équipe ont abouti à une découverte étonnante concernant la relation entre les états métalliques et supraconducteurs dans le graphène tricouche torsadé à angle magique. Concrètement, les chercheurs ont observé que la supraconductivité la plus robuste se produit le long de la direction dans laquelle la phase métallique est la plus résistive.

« En d’autres termes, la direction qui semble la moins favorable à la circulation du courant dans l’état métallique s’avère être la direction la plus favorable à la formation de la supraconductivité », constate J.I.A. Li. « En faisant cela, nous avons découvert une relation frappante : la direction dans laquelle la supraconductivité est la plus forte est directement liée à l’anisotropie déjà présente dans la phase métallique. » Il ajoute que cette observation « offre un nouvel aperçu de la manière dont la supraconductivité se forme dans les systèmes électroniques en forte interaction et ouvre une nouvelle voie pour sonder la nature de la supraconductivité non conventionnelle. »

Cette dynamique révèle un maillage complexe entre les différents états de la matière. « Cette relation directionnelle a fourni un indice puissant que ces différentes phases — la nématicité (l’ordre électronique directionnel), la métallicité étrange et la supraconductivité — ne sont pas des phénomènes indépendants, mais qu’elles sont au contraire profondément connectées », conclut J.I.A. Li. « En développant et en appliquant cette méthode de transport à résolution angulaire, nous avons pu révéler comment ces phases sont entrelacées d’une manière qui n’avait pas été directement observée auparavant. »

Vers une compréhension globale des matériaux de demain

Les méthodes expérimentales introduites par les chercheurs se révèlent très prometteuses pour l’exploration des phénomènes quantiques dans les matériaux bidimensionnels (2D). J.I.A. Li insiste sur l’importance de ces résultats : « La nature de la supraconductivité non conventionnelle reste l’une des grandes questions ouvertes de la physique de la matière condensée. Nos résultats montrent que la symétrie angulaire est une contrainte puissante — en suivant attentivement la façon dont les propriétés électroniques dépendent de la direction, nous pouvons restreindre l’éventail des explications théoriques possibles sur la façon dont la supraconductivité émerge. »

À l’avenir, cette approche pourra être appliquée à une vaste gamme d’autres matériaux en forte interaction, notamment les systèmes moirés et les supraconducteurs à haute température. « En utilisant la symétrie angulaire comme principe directeur, les chercheurs pourraient être en mesure de découvrir de nouvelles connexions entre les phases électroniques et d’acquérir une compréhension plus profonde des mécanismes qui régissent la supraconductivité et d’autres phénomènes quantiques corrélés », envisage le scientifique. Il prévoit d’appliquer cette technique pour étudier d’autres phases dans les structures multicouches de graphène : « En comparant systématiquement différents systèmes de graphène multicouches, nous espérons identifier des modèles universels qui lient la symétrie de la supraconductivité à des signatures de transport mesurables. »

« Plus largement, nous envisageons que cette approche angulaire devienne un outil général pour explorer les matériaux quantiques complexes », conclut-il, espérant révéler des connexions cachées autour des mécanismes de la supraconductivité. Les détails de cette publication, signée par Naiyuan J. Zhang et son équipe sous le titre « Angular interplay of nematicity, superconductivity and strange metallicity in magic-angle twisted trilayer graphene », sont parus dans Nature Physics en 2026. L’article est accessible via le DOI : 10.1038/s41567-026-03202-w et sur arXiv via le DOI : 10.48550/arxiv.2503.15767.

Selon la source : phys.org