Dans cette image de nanoscopie infrarouge en champ proche de graphène bicouche obtenue à la source lumineuse avancée, les murs de domaine sont révélés par des lignes lumineuses qui apparaissent à cause des structures électroniques des murs et des réponses IR.
À la liste des applications potentielles du graphène - un semi-conducteur bidimensionnel de carbone pur qui est plus fort et beaucoup plus rapide que le silicium - nous pouvons maintenant ajouter la valleytronics, le codage des données dans le mouvement ondulatoire des électrons lorsqu'ils traversent un conducteur. Les chercheurs du Berkeley Lab ont découvert des canaux conducteurs d'électrons unidimensionnels protégés topologiquement au niveau des parois de domaine du graphène bicouche. Ces canaux conducteurs sont "valley polarisés, " ce qui signifie qu'ils peuvent servir de filtres pour la polarisation de la vallée des électrons dans les futurs appareils tels que les ordinateurs quantiques.
"Combinant la microscopie infrarouge en champ proche à l'échelle nanométrique et les mesures de transport électrique à basse température, nous avons enregistré les premières observations expérimentales de canaux conducteurs d'électrons balistiques 1D au niveau des parois de domaines bicouches en graphène, " dit Feng Wang, un physicien de la matière condensée à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, qui a dirigé ce travail. "Ces canaux conducteurs polarisés en vallée 1D présentaient une longueur balistique d'environ 400 nanomètres à 4 kelvins. Leur existence ouvre des opportunités pour explorer des phases topologiques uniques et la physique de la vallée dans le graphène."
Wang, qui est également titulaire d'un poste au département de physique de l'Université de Californie (UC) à Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue La nature . Les principaux auteurs de l'article sont Long Ju et Zhiwen Shi, membres du groupe de recherche de Wang.
Valleytronics suscite beaucoup d'enthousiasme dans l'industrie de la haute technologie en tant que voie potentielle vers l'informatique quantique. Comme la spintronique, Valleytronics offre un énorme avantage en termes de vitesse de traitement des données par rapport à la charge électrique utilisée dans l'électronique classique.
(De gauche à droite) Long Ju, Zhiwen Shi et Feng Wang ont utilisé la nanoscopie infrarouge en champ proche pour découvrir des canaux conducteurs d'électrons 1D protégés topologiquement au niveau des parois de domaine du graphène bicouche. Crédit :Roy Kaltschmidt
"Dans valleytronics, les électrons se déplacent à travers le réseau d'un semi-conducteur 2D comme une onde avec deux vallées d'énergie, chaque vallée étant caractérisée par une quantité de mouvement et un nombre de vallée quantique distincts, ", dit Wang. "Ce nombre de vallée quantique peut être utilisé pour coder des informations lorsque les électrons sont dans une vallée d'énergie minimale."
Des travaux théoriques récents ont suggéré que les parois de domaine entre le graphène bicouche empilé AB et BA pourraient fournir un endroit attrayant pour réaliser des canaux conducteurs d'électrons unidimensionnels pour la valleytronics, car la douceur des parois de domaine préserve les vallées d'électrons, contrairement aux défauts atomiques aux bords du graphène qui entraînent un mélange de vallées. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'y a eu aucune preuve expérimentale de ces canaux.
Travaillant à la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science, Wang, Ju, Shi et leurs collègues ont utilisé des faisceaux de lumière infrarouge étroitement focalisés pour imager in situ des murs de domaine d'empilement de couches de graphène bicouche sur des substrats de dispositifs. Des dispositifs à effet de champ fabriqués sur ces parois de domaine ont révélé les canaux conducteurs 1D.
Dans le travail d'imagerie du graphène bicouche par Feng Wang et son groupe, La lumière infrarouge (jaune) est focalisée sur l'apex d'une pointe AFM revêtue de métal et le rayonnement infrarouge rétrodiffusé est collecté et mesuré.
"Les mesures infrarouges ont été effectuées sur la ligne de lumière ALS 5.4, " dit Shi. " Les capacités infrarouges en champ proche de cette ligne de lumière permettent une spectroscopie optique avec des résolutions spatiales bien au-delà de la limite de diffraction, nous permettant d'imager les murs de domaine nanométriques dans le graphène bicouche."
À ce jour, la plupart des recherches de valleytronics se sont concentrées sur les semi-conducteurs 2D connus sous le nom de matériaux MX2, qui se composent d'une seule couche d'atomes de métaux de transition, comme le molybdène ou le tungstène, pris en sandwich entre deux couches d'atomes de chalcogène, comme le soufre. Les résultats de cette étude démontrent que des phases topologiques protégées peuvent également être réalisées en graphène bicouche, qui est un semi-conducteur accordable, rendant les feuilles de carbone 2D utiles pour les applications valleytronic.
"Notre prochaine étape consiste à augmenter la longueur balistique de ces canaux 1D afin que nous puissions les utiliser comme filtres de vallée d'électrons, ainsi que pour d'autres manipulations de vallées d'électrons dans le graphène, " dit Wang.
