Des électrons disposés dans une structure semblable à un gâteau de mariage, une série concentrique d'anneaux isolants (rouge) et conducteurs (bleu), en raison du confinement magnétique dans le graphène. La hauteur de chaque niveau représente l'énergie des électrons dans ce niveau. Crédit :C. Gutiérrez/NIST
Dans un mariage de la science quantique et de la physique du solide, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont utilisé des champs magnétiques pour confiner des groupes d'électrons à une série d'anneaux concentriques dans le graphène, une seule couche d'atomes de carbone étroitement emballés.
Ce "gâteau de mariage" à plusieurs niveaux, " qui apparaît dans les images qui montrent la structure des niveaux d'énergie des électrons, confirme expérimentalement comment les électrons interagissent dans un espace étroitement confiné selon des règles longtemps non testées de la mécanique quantique. Les résultats pourraient également avoir des applications pratiques en informatique quantique.
Le graphène est un matériau très prometteur pour les nouveaux appareils électroniques en raison de sa résistance mécanique, son excellente capacité à conduire l'électricité et son ultramince, structure essentiellement bidimensionnelle. Pour ces raisons, les scientifiques sont ouverts à toute nouvelle idée sur ce matériau merveilleux.
Les chercheurs, qui rapportent leurs conclusions dans le numéro du 24 août de Science , ont commencé leur expérience en créant des points quantiques - de minuscules îles qui agissent comme des atomes artificiels - dans des dispositifs en graphène refroidis à quelques degrés au-dessus du zéro absolu.
Les électrons orbitent autour des points quantiques de la même manière que ces particules chargées négativement orbitent autour des atomes. Comme les barreaux d'une échelle, ils ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie spécifiques selon les règles de la théorie quantique. Mais quelque chose de spécial s'est produit lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique, qui a encore confiné les électrons en orbite autour de la boîte quantique. Lorsque le champ appliqué a atteint une force d'environ 1 Tesla (environ 100 fois la force typique d'un petit barreau magnétique), les électrons se sont rapprochés et ont interagi plus fortement.
Par conséquent, les électrons se sont réorganisés en un nouveau motif :une série alternée d'anneaux concentriques conducteurs et isolants à la surface. Lorsque les chercheurs ont empilé des images des anneaux concentriques enregistrées à différents niveaux d'énergie des électrons, l'image résultante ressemblait à un gâteau de mariage, avec l'énergie des électrons comme dimension verticale.
L'image de spectroscopie à effet tunnel à balayage montre que les électrons confinés magnétiquement sont disposés dans une structure de niveaux d'énergie semblable à un gâteau de mariage, connu sous le nom de niveaux de Landau, étiqueté comme ll (panneau supérieur). Les électrons confinés à ces niveaux créent une série d'anneaux isolants et conducteurs dans le graphène (panneau inférieur). Crédit : NIST
Un microscope à effet tunnel, qui image les surfaces avec une résolution à l'échelle atomique en enregistrant le flux d'électrons entre différentes régions de l'échantillon et la pointe ultra-pointue du stylet du microscope, a révélé la structure.
« Ceci est un exemple classique d'un problème - déterminer à quoi ressemble l'effet combiné du confinement spatial et magnétique des électrons - que vous résolvez sur papier lorsque vous êtes exposé pour la première fois à la mécanique quantique, mais que personne n'a jamais vu avant, " a déclaré Joseph Stroscio, scientifique et co-auteur du NIST. " La clé est que le graphène est un matériau véritablement bidimensionnel avec une mer exposée d'électrons à la surface, " il a ajouté. " Dans les expériences précédentes utilisant d'autres matériaux, Les points quantiques étaient enterrés aux interfaces matérielles, de sorte que personne n'avait pu regarder à l'intérieur d'eux et voir comment les niveaux d'énergie changent lorsqu'un champ magnétique est appliqué."
Les points quantiques de graphène ont été proposés comme composants fondamentaux de certains ordinateurs quantiques.
"Comme nous voyons ce comportement commencer à des champs modérés d'environ 1 Tesla, cela signifie que ces interactions électron-électron devront être soigneusement prises en compte lors de l'examen de certains types de points quantiques de graphène pour le calcul quantique, " a déclaré le co-auteur de l'étude Christopher Gutierrez, maintenant à l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, qui a effectué le travail expérimental au NIST avec les co-auteurs Fereshte Ghahari et Daniel Walkup du NIST et de l'Université du Maryland.
Cette réalisation ouvre également la possibilité au graphène d'agir comme ce que les chercheurs appellent un "simulateur quantique relativiste". La théorie de la relativité décrit le comportement des objets lorsqu'ils se déplacent à ou près de la vitesse de la lumière. Et les électrons du graphène possèdent une propriété inhabituelle :ils se déplacent comme s'ils n'avaient pas de masse, comme des particules de lumière. Bien que les électrons du graphène voyagent beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, leur comportement sans masse semblable à la lumière leur a valu le surnom de matière "relativiste". La nouvelle étude ouvre la porte à la création d'une expérience de table pour étudier la matière relativiste fortement confinée.
Les mesures suggèrent que les scientifiques pourraient bientôt trouver des structures encore plus exotiques produites par les interactions d'électrons confinés à des matériaux à l'état solide à basse température.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
