Découverte du « graphène à angle magique » qui se comporte comme un supraconducteur à haute température et toutes les percées scientifiques de l’année

La révélation de l’année 2018 dans le monde de la physique revient à Pablo Jarillo-Herrero du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis et à ses collègues pour la découverte qui a conduit au développement de la « twistronics« , une technique nouvelle et très prometteuse pour ajuster les propriétés électroniques du graphène par rotation des couches adjacentes du matériau. Cette technique a d’abord été utilisée par l’équipe pour créer du « graphène à angle magique« , qui se comporte comme un supraconducteur à haute température. Neuf autres réalisations sont très appréciées dans le Top 10 des découvertes de 2018 et couvrent des sujets allant du premier scanner PET-CT du corps entier à un avion zéro carbone propulsé par un jet d’ions.

Nouveau rebondissement : le graphène bicouche à angle magique est la percée de l’année 2018. (Pablo Jarillo-Herrero)

Le graphène est une couche de carbone d’un seul atome d’épaisseur qui possède un réseau en nid d’abeilles. Le graphène bicouche est une pile de deux couches dans laquelle les deux treillis sont généralement orientés d’une manière spécifique. La twistronique a commencé lorsque Jarillo-Herrero et ses collègues ont découvert le comportement de l’isolant de Mott dans le graphène bicouche de graphène vierge lorsque l’orientation des deux couches était déformée par un angle magique.

L’équipe, composée de chercheurs du MIT, de l’Université Harvard et du National Institute of Materials Science (NIMS) au Japon, a ensuite montré qu’en ajoutant des électrons à une bicouche torsadée à l’aide d’un champ électrique appliqué, ils pourraient la rendre supraconductrice.

Le développement de la twistronique a déjà déclenché plusieurs découvertes importantes dans la recherche sur le graphène. Des scientifiques de l’Université de Columbia ont trouvé un moyen d’ajuster finement l’angle entre les couches adjacentes de matériaux 2D et de contrôler ainsi les propriétés électroniques. Ceci met en évidence le potentiel de la twistronique comme paradigme alternatif pour l’ingénierie des dispositifs.

D’autres recherches théoriques ont permis de mieux comprendre les transitions électroniques dans les systèmes graphéniques bicouches et multicouches. Les théoriciens ont mis en évidence le potentiel de supraconductivité non conventionnelle, y compris la supraconductivité topologique et l’existence d’états topologiques « Majorana » à la limite du matériau. Ces états pourraient être particulièrement utiles pour créer des bits quantiques dans les ordinateurs quantiques parce qu’ils sont plus résistants aux perturbations environnementales que la plupart des autres solutions.

Plus récemment, l’ajout d’une torsion entre les couches de matériaux 2D a également permis d’éviter la diffusion d’Umklapp, qui dégrade la mobilité du porteur à haute température.

Voici le Top 10 mondial des percées en physique de 2018 décerné à la recherche rapportée en 2018 sur physicworld.com.
(Les gagnants sont choisis par les éditeurs de Physics World et les critères d’évaluation sont inclus :

  • Avancée significative dans la connaissance ou la compréhension
  • Importance des travaux pour le progrès scientifique et/ou le développement d’applications concrètes
  • D’intérêt général pour les lecteurs de Physics World)
Prêt à rouler : Leif Asp avec une bobine de fil de fibre de carbone. ( Université de technologie Chalmers)

Les fibres de carbone multifonctionnelles permettent un stockage d’énergie « sans masse
Leif Asp de l’Université de technologie Chalmers et ses collaborateurs en Suède, en Italie et en France pour avoir démontré le potentiel d’un stockage efficace de l’énergie sans masse en utilisant des fibres de carbone multifonctionnelles. Malgré les progrès de la technologie du stockage de l’énergie, les batteries représentent toujours une part importante du poids des appareils tels que les ordinateurs portables et même les voitures. Plutôt que de se concentrer uniquement sur l’optimisation des matériaux des batteries pour répondre aux exigences de légèreté, Leif Asp et ses co-auteurs ont démontré que lexploitation des propriétés électrochimiques des fibres de carbone utilisées comme support structurel pouvait faire chuter les masses des dispositifs jusqu’à 50%.

Les compensateurs élargissent l’accès mondial à la radiothérapie avancée
Pour Eric Ford de l’University of Washington Medical Center et à ses collègues pour la création d’une méthode peu coûteuse de mise en œuvre de la radiothérapie à modulation d’intensité (IMRT). L’IMRT est une technique de traitement de précision qui utilise des collimateurs complexes à feuilles multiples (CCM) pour façonner le faisceau de photons et épargner davantage de tissus sains. Mais si l’IMRT est disponible dans pratiquement toutes les cliniques de radiothérapie des pays à revenu élevé, elle est largement absente dans de vastes régions des pays à revenu faible et intermédiaire. Pour combler cette lacune, Ford et une équipe multi-institutionnelle ont mis au point une solution de rechange rentable au MLC, en le remplaçant par un anneau de compensateurs faits de moules en plastique léger remplis de billes d’atténuation comme des billes de tungstène. L’appareil proposé peut être adapté aux appareils de téléthérapie linéaires et au cobalt existants, ce qui permet aux cliniques d’ajouter l’IMRT sans avoir à acheter un nouveau système de traitement.

Rapport spécial du GIEC sur le changement climatique à 1,5 °C
Au Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) pour son rapport spécial sur le changement climatique à 1,5 °C, qui a été publié en octobre. Fruit du travail de 91 auteurs et rédacteurs de revues de 40 pays, ce rapport, issu des pourparlers de Paris sur le climat en 2015, met en lumière les impacts du changement climatique qui pourraient être évités si le monde se ressaisissait et limitait le réchauffement climatique à 1,5 °C. « Chaque élément supplémentaire de réchauffement est important, d’autant plus que le réchauffement de 1,5 °C ou plus augmente le risque associé à des changements durables ou irréversibles, tels que la perte de certains écosystèmes », a déclaré Hans-Otto Pörtner, co-président du Groupe de travail II du GIEC.

EXPLORER, le PET-CT pour les premières scintigraphies du corps entier
Au consortium EXPLORER pour la production des premières images humaines à l’aide de leur scanner PET du corps entier. L’EXPLORER PET/CT est le premier système d’imagerie médicale au monde capable de capturer simultanément une image 3D du corps humain entier. Développé par les scientifiques d’UC Davis et un consortium multi-institutionnel, EXPLORER peut numériser jusqu’à 40 fois plus vite, ou utiliser jusqu’à 40 fois moins de dose de rayonnement, que les systèmes de TEP actuels, ce qui permet de réaliser des études répétées chez un individu ou de réduire considérablement la dose dans les études pédiatriques. Le scanner à haute sensibilité peut également créer des films qui suivent les médicaments radiomarqués lorsqu’ils se déplacent dans le corps.

Un avion sans combustion et sans hélice prend son envol
À Steve Barrett et à ses collègues du MIT pour avoir fait la démonstration du premier vol d’un avion sans hélice qui n’est pas équipé d’un moteur à combustion. L’avion, d’une envergure de cinq mètres, est propulsé par un « vent ionique » d’ions chargés générés par des électrodes filaires alimentées par une batterie. Lors de l’annonce du vol, Barrett s’est dit inspiré par un amour d’enfance pour Star Trek : « L’avenir s’annonçait comme si les avions se déplaçaient silencieusement sans pièces mobiles – peut-être une lueur bleue mais certainement sans hélices ou turbines ou autre chose du genre. Alors j’ai commencé à chercher ce que la physique rendrait possible le vol sans pièces mobiles. »

Altitude de croisière : Image en temps réel de l’avion ionique en vol. (Courtoisie : Nature)

La mécanique quantique défie l’ordre causal, l’expérience le confirme
A Jacqui RomeroFabio Costa, Kaumudibikash Goswami, Christina Giarmatzi, Michael Kewming et Andrew White de l’Université du Queensland et Cyril Branciard de l’Université de Grenoble Alpes pour leur démonstration expérimentale que la mécanique quantique peut permettre que des événements se produisent sans ordre causal défini. Ceci est différent de la physique classique – et de la vie quotidienne – dans laquelle il existe une relation de cause à effet stricte entre des événements consécutifs. Pour observer une causalité indéfinie, l’équipe a créé un « commutateur quantique« , dans lequel un photon peut prendre deux voies. Un chemin implique que le photon soit soumis à l’opération A avant l’opération B, tandis que dans l’autre chemin B se produit avant A. Si les opérations sont effectuées à proximité l’une de l’autre dans le temps, il devient alors impossible de dire lequel a été fait en premier. L’ordre causal indéfini – ainsi que le commutateur quantique de l’équipe – pourrait s’avérer utile pour le traitement des informations quantiques.

L’activation des cellules souches rétiniennes restaure la vision chez la souris
À Bo Chen de l’école de médecine Icahn à Mount Sinai et à une équipe de recherche internationale pour avoir réussi à restaurer la vision chez la souris en activant des cellules souches rétiniennes. Chez les vertébrés à sang froid, les cellules de la glie de Müller (MG) agissent comme des cellules souches rétiniennes qui peuvent reconstituer les neurones rétiniens endommagés et restaurer la vision. Chez les mammifères, cependant, les MG n’ont pas de capacité régénératrice. Dans cette étude, Chen et ses collègues ont tenté de réactiver les MG en effectuant un processus de transfert de gènes en deux étapes pour reprogrammer les MG chez des souris aveugles. Entre quatre et six semaines après la reprogrammation, les souris pouvaient sentir la lumière et retrouver leur vision. Bien que d’autres tests soient nécessaires pour déterminer le degré d’amélioration de la vue, l’approche pourrait un jour transformer le traitement des patients atteints de maladies dégénératives de la rétine, qui n’ont actuellement aucun traitement.

L’hydrogène ancien révèle des indices sur l’identité de la matière noire
À Judd Bowman, Raul Monsalve, Thomas Mozdzen et Nivedita Mahesh de l’Arizona State University Arizona State University Arizona State University et Alan Rogers du Massachusetts Institute of Technology pour avoir utilisé le radiotélescope EDGES pour observer le gaz hydrogène plus froid que prévu qui existait seulement 180 millions d’années après le Big Bang ; et Rennan Barkana de l’Université de Tel Aviv pour calculer que cela pourrait être la première observation directe d’une interaction non gravitationnelle entre matière noire et matière classique. Bien que d’autres observations soient nécessaires pour étayer cette hypothèse, la recherche pourrait aider à résoudre l’un des plus importants mystères non résolus de la physique : quelle est la nature de la matière noire ?

Lumière et obscurité : la matière noire refroidissait-elle l’hydrogène ancien ?

Supraconductivité tachetée dans un quasi-cristal
A Keiichiro Imura, Kazuhiko Deguchi, Tsutomu Ishimasa, Keisuke Kamiya, Nobuo Wada et Noriaki Sato de l’Université de Nagoya, Tsunehiro Takeuchi du Toyota Technological Institute, Tsutomu Ishimasa du Toyota Physical and Chemical Research Institute et Noriyuki Kabeya de Tohoku University pour découvrir le premier quasi cristal supraconducteur, un alliage métallique qui est un supraconducteur à température inférieure à 0.05 K.
La supraconductivité conventionnelle survient lorsque des paires d’électrons se forment par interaction avec des phonons, qui sont des déformations semblables à des particules qui se propagent dans des réseaux cristallins. Les quasicristaux n’ont pas de symétrie de translation et n’ont donc pas de treillis cristallin – et ne devraient donc pas être des supraconducteurs classiques. Depuis que les premiers quasicristaux ont été découverts en 1984, certains physiciens ont suggéré que la supraconductivité pourrait se produire dans les quasicristaux et maintenant cette découverte pourrait conduire à la création de nouveaux matériaux qui montrent la supraconductivité fractale.

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