Deux feuilles de carbone atomiquement minces empilées les unes sur les autres, appelé graphène bicouche, présentent des propriétés uniques lorsque l'une des couches est tordue à un certain angle - un angle "magique". L'étude de la magie et d'autres désalignements angulaires entre deux couches de matériau et de leurs effets sur les propriétés des matériaux a été surnommée twistronics, domaine en pleine expansion de la physique de la matière condensée.

Pour amener la twistronique à l'échelle macro, une équipe de chercheurs de Penn State a conçu un équivalent acoustique du graphène bicouche à angle magique. Leur article a été récemment accepté en Examen physique B :Communications rapides .

"L'examen des analogues des concepts de physique de la matière condensée peut nous donner de nouvelles idées et applications en acoustique, " dit Yun Jing, professeur agrégé d'acoustique et de génie biomédical.

Dans une simulation, l'équipe de recherche a construit la conception acoustique à partir d'une plaque plate contenant un motif hexagonal de trous analogue à la disposition des atomes dans le graphène à l'échelle nanométrique. Ils ont ajouté une autre couche de plaque semblable au graphène, en alignant les plaques mais en laissant un entrefer vertical entre les deux, et tordu la plaque supérieure. Cette torsion a créé un motif Moiré caractéristique - également observé dans le graphène à angle magique typique - résultant de deux motifs similaires superposés où l'un est légèrement tourné ou décalé.

Les chercheurs ont ensuite simulé le mouvement des ondes sonores dans le réseau. Ils ont découvert que lorsque les ondes se propageaient entre les plaques à certains angles de torsion, énergie acoustique concentrée autour de zones spécifiques du motif Moiré où les trous sur les couches supérieure et inférieure s'alignent. Ce comportement, les chercheurs ont dit, reflétait le comportement des électrons dans le graphène à angle magique à l'échelle atomique.

"Les électrons se déplaçant à travers des matériaux comme le graphène sont mathématiquement similaires aux ondes acoustiques se déplaçant dans l'air entre des structures répétitives, " dit Yuanchen Deng, doctorant en acoustique.

Ces similitudes peuvent aider les chercheurs à explorer théoriquement d'autres applications du graphène à angle magique conventionnel sans les restrictions liées à l'expérimentation, dit l'équipe. Leur système acoustique serait plus facile à fabriquer en laboratoire car il n'est pas conçu à l'échelle nanométrique, Jing a dit, et la torsion serait plus facile à contrôler étant donné la plus grande taille de l'échantillon.

Les chercheurs ont également découvert que leur configuration créait de nouvelles possibilités d'exploration d'angles magiques, pour lesquels les recherches existantes se sont concentrées sur les petits angles inférieurs à trois degrés. Les chercheurs pourraient manipuler la distance entre les plaques de graphène pour contrôler l'angle magique, ce qui est extrêmement difficile pour le graphène à angle magique à l'échelle nanométrique. Les chercheurs ont découvert que leur développement produisait un nombre beaucoup plus grand d'angles magiques qu'on ne le pensait auparavant.

"Avec un plus grand angle de torsion, nous pouvons réduire la taille de la structure, " a déclaré Jing. " Les échantillons seront plus faciles à simuler et éventuellement à fabriquer. "

La concentration de l'énergie des vagues à certains endroits du réseau de graphène acoustique pourrait avoir des applications pour la récupération d'énergie. Si les plaques de graphène sont conçues pour être piézoélectriques dans les régions où l'énergie acoustique est confinée, ils pourraient convertir l'énergie mécanique des vibrations des ondes acoustiques en énergie électrique. Avec d'autres recherches, le graphène acoustique à angle magique pourrait devenir approprié pour collecter de l'énergie dans une variété de scénarios.

Les chercheurs prévoient d'examiner d'autres possibilités pour le graphène à angle magique acoustique et d'étendre leurs recherches à des domaines concernant différents types d'ondes.

"Amenant cette configuration bicouche à l'échelle macroscopique, vous pouvez expérimenter avec différentes structures et vagues, " Deng a déclaré. "Notre système est acoustique mais peut fournir une rétroaction pour tous les systèmes utilisant des fonctions mathématiques similaires aux équations d'onde."