Une équipe de chercheurs de Graphene Flagship dirigée par l'Université de Manchester a rapporté dans le journal Science montrant le premier nouveau type d'oscillation quantique signalé depuis trente ans. Cela se produit en appliquant un champ magnétique et c'est le premier du genre à être présent à haute température et à mésoéchelle. Cette recherche met également en lumière le phénomène du papillon Hofstadter.

La théorie quantique est l'étude de la physique au niveau atomique et subatomique. Il quantifie l'énergie et la quantité de mouvement et montre comment les objets sont caractérisés à la fois comme des particules et des ondes. Les oscillations quantiques peuvent être utilisées pour cartographier les propriétés de nouveaux matériaux en présence d'un champ magnétique. Cet article montre comment il est possible d'ajuster le champ magnétique appliqué à une hétérostructure composée de graphène et de nitrure de bore pour créer une multitude de matériaux électroniques différents.

Le super-réseau, créé dans le graphène par son emplacement exact par rapport à une couche de nitrure de bore disposée périodiquement, interagit avec le champ magnétique de telle manière qu'il est possible de régler son oscillation pour fabriquer des bandes et des espaces dans sa structure électronique - ce qui signifie que le champ magnétique peut être utilisé pour régler les matériaux à être métalliques, semi-conducteur ou conducteur.

André Geim, membre éminent de l'équipe et lauréat du prix Nobel 2010, dit "Les effets quantiques oscillatoires présentent toujours des jalons dans notre compréhension des propriétés des matériaux. Ils sont extrêmement rares. Cela fait plus de 30 ans qu'un nouveau type d'oscillation quantique a été signalé." Il ajoute "Nos oscillations se distinguent par leur extrême robustesse, se produisant dans des conditions ambiantes dans des champs magnétiques facilement accessibles."

Ce travail apporte également un éclairage supplémentaire sur le papillon de Hofstadter, un motif fractal qui décrit le comportement des électrons dans un champ magnétique, mesurée expérimentalement pour la première fois en 2013 à l'aide d'une hétérostructure graphène et nitrure de bore. Dans le travail théorique original sur lequel le papillon de Hofstadter est basé, les électrons modélisés pour créer le motif fractal ont été traités comme des électrons de Bloch (électrons qui n'interagissent pas les uns avec les autres et se déplacent dans un potentiel électrique périodique dans un réseau). La recherche présentée ici illustre comment ces motifs fractals complexes peuvent être considérés comme une quantification de Langmuir, qui est la quantification des orbites de cyclotron (en prenant ce qui est normalement considéré comme une orbite circulaire et en la considérant plutôt comme linéaire)

le professeur Vladimir Falko, Le directeur du National Graphene Institute a commenté :« Notre travail aide à démystifier le papillon Hofstadter. La structure fractale complexe du spectre du papillon Hofstadter peut être comprise comme une simple quantification de Landau dans la séquence de nouveaux métaux créés par le champ magnétique.

Professeur Bart van Wees, Responsable du groupe Physique des nanodispositifs au Zernike Institute for Advanced Materials, Groningue, Les Pays-Bas ont ajouté « Nous avons toujours considéré les oscillations quantiques comme très fragiles, facilement détruites à des températures plus élevées mais les auteurs ont montré que celles-ci peuvent désormais être observées à température ambiante, ou même plus haut. C'est une bonne nouvelle pour de nouvelles applications possibles de ces systèmes et d'autres qui sont basés sur l'empilement Van der Waals de matériaux bidimensionnels."