Un groupe de chercheurs dirigé par Sir Andre Geim et le Dr Alexey Berdyugin de l'Université de Manchester ont découvert et caractérisé une nouvelle famille de quasiparticules nommées « fermions Brown-Zak » dans des super-réseaux à base de graphène.

L'équipe a réalisé cette percée en alignant le réseau atomique d'une couche de graphène à celui d'une feuille de nitrure de bore isolante, changer radicalement les propriétés de la feuille de graphène.

L'étude fait suite à des années d'avancées successives dans les super-réseaux de graphène-nitrure de bore qui ont permis l'observation d'un motif fractal connu sous le nom de papillon de Hofstadter - et aujourd'hui (vendredi, 13 novembre), les chercheurs rapportent un autre comportement très surprenant des particules dans de telles structures sous champ magnétique appliqué.

"C'est bien connu, qu'en champ magnétique nul, les électrons se déplacent selon des trajectoires rectilignes et si vous appliquez un champ magnétique, ils commencent à se plier et à se déplacer en cercles", expliquent Julien Barrier et le Dr Piranavan Kumaravadivel, qui a réalisé le travail expérimental.

"Dans une couche de graphène qui a été alignée avec le nitrure de bore, les électrons commencent également à se plier, mais si vous réglez le champ magnétique à des valeurs spécifiques, les électrons se déplacent à nouveau selon des trajectoires rectilignes, comme s'il n'y avait plus de champ magnétique !"

"Un tel comportement est radicalement différent de la physique des manuels." ajoute le Dr Piranavan Kumaravadivel.

"Nous attribuons ce comportement fascinant à la formation de nouvelles quasiparticules à champ magnétique élevé, ", explique le Dr Alexey Berdyugin. "Ces quasiparticules ont leurs propres propriétés uniques et une mobilité exceptionnellement élevée malgré le champ magnétique extrêmement élevé."

Tel que publié dans Communication Nature , le travail décrit comment les électrons se comportent dans un super-réseau de graphène de très haute qualité avec un cadre révisé pour les caractéristiques fractales du papillon de Hofstadter. Des améliorations fondamentales dans la fabrication de dispositifs de graphène et les techniques de mesure au cours de la dernière décennie ont rendu ce travail possible.

"Le concept de quasi-particules est sans doute l'un des plus importants dans la physique de la matière condensée et les systèmes quantiques à plusieurs corps. Il a été introduit par le physicien théoricien Lev Landau dans les années 1940 pour décrire les effets collectifs comme une" excitation à une particule ", " explique Julien Barrier " Ils sont utilisés dans de nombreux systèmes complexes pour rendre compte des effets à plusieurs corps. "

Jusqu'à maintenant, le comportement des électrons collectifs dans les super-réseaux de graphène a été pensé en termes de fermion de Dirac, une quasiparticule qui a des propriétés uniques ressemblant à des photons (particules sans masse), qui se répliquent à des champs magnétiques élevés. Cependant, cela ne tenait pas compte de certaines fonctionnalités expérimentales, comme la dégénérescence supplémentaire des états, elle ne correspondait pas non plus à la masse finie de la quasiparticule dans cet état.

Les auteurs proposent que les « fermions Brown-Zak » soient la famille de quasiparticules existant dans les super-réseaux sous champ magnétique élevé. Ceci est caractérisé par un nouveau nombre quantique qui peut être mesuré directement. De façon intéressante, travailler à des températures plus basses leur a permis de lever la dégénérescence avec des interactions d'échange à des températures ultra-basses.

"Sous la présence d'un champ magnétique, les électrons du graphène commencent à tourner avec des orbites quantifiées. Pour les fermions Brown-Zak, nous avons réussi à restituer une trajectoire rectiligne de dizaines de micromètres sous des champs magnétiques élevés jusqu'à 16T (500, 000 fois le champ magnétique terrestre). Sous certaines conditions, les quasiparticules balistiques ne ressentent aucun champ magnétique efficace, " expliquent le Dr Kumaravadivel et le Dr Berdyugin.

Dans un système électronique, la mobilité est définie comme la capacité d'une particule à se déplacer lors de l'application d'un courant électrique. Les mobilités élevées ont longtemps été le Saint Graal lors de la fabrication de systèmes 2D tels que le graphène car de tels matériaux présenteraient des propriétés supplémentaires (effets hall quantique entier et fractionnaire), et potentiellement permettre la création de transistors ultra haute fréquence, les composants au cœur d'un processeur informatique.

"Pour cette étude, nous avons préparé des dispositifs en graphène extra-larges avec un très haut niveau de pureté". dit le Dr Kumaravadivel. Cela nous a permis d'atteindre des mobilités de plusieurs millions de cm²/Vs, ce qui signifie que les particules traverseraient tout l'appareil sans se disperser. Surtout, ce n'était pas seulement le cas des fermions de Dirac classiques dans le graphène, mais aussi réalisé pour les fermions de Brown-Zak rapportés dans le travail.

Ces fermions de Brown-Zak définissent de nouveaux états métalliques, qui sont génériques à tout système de super-réseaux, pas seulement le graphène et offre un terrain de jeu pour de nouveaux problèmes de physique de la matière condensée dans d'autres super-réseaux à base de matériaux 2D.

Julien Barrier a ajouté « Les conclusions sont importantes, bien sûr pour des études fondamentales en transport d'électrons, mais nous pensons que la compréhension des quasiparticules dans de nouveaux dispositifs à super-réseau sous des champs magnétiques élevés peut conduire au développement de nouveaux dispositifs électroniques. »

La grande mobilité signifie qu'un transistor fabriqué à partir d'un tel dispositif pourrait fonctionner à des fréquences plus élevées, permettre à un processeur constitué de ce matériau d'effectuer plus de calculs par unité de temps, résultant en un ordinateur plus rapide. L'application d'un champ magnétique réduirait généralement la mobilité et rendrait un tel dispositif inutilisable pour certaines applications. Les mobilités élevées des fermions de Brown-Zak à des champs magnétiques élevés ouvrent une nouvelle perspective pour les dispositifs électroniques fonctionnant dans des conditions extrêmes.