Des électrons (verts) dans une tranche de matériau sandwich torsadé. Les propriétés du matériau peuvent être étudiées à l'aide d'électrons (noirs/rouges) excités par la lumière laser. Crédit :ETH Zurich / Yuya Shimazaki
Dans un matériau constitué de deux fines couches cristallines légèrement torsadées l'une par rapport à l'autre, des chercheurs de l'ETH ont étudié le comportement d'électrons en interaction forte. Ce faisant, ils ont trouvé un certain nombre de propriétés surprenantes.
De nombreuses technologies modernes sont basées sur des matériaux spéciaux, tels que les semi-conducteurs qui sont importants pour les ordinateurs, à l'intérieur duquel les électrons peuvent se déplacer plus ou moins librement. La liberté exacte de ces électrons est déterminée par leurs propriétés quantiques et la structure cristalline du matériau. La plupart du temps, ils se déplacent indépendamment les uns des autres. Sous certaines conditions, cependant, les interactions fortes entre les électrons peuvent donner lieu à des phénomènes particuliers. supraconducteurs, dans lequel les électrons s'apparient pour conduire le courant électrique sans résistance, sont un exemple bien connu.
À l'Institut d'électronique quantique de Zurich, Le professeur de l'ETH Ataç Imamoğlu étudie les matériaux avec des électrons en interaction forte. Il souhaite mieux comprendre le comportement des électrons dans ces matériaux et recherche des propriétés inattendues qui pourraient être intéressantes pour de futures applications. Dans une matière "torsadée", lui et ses collaborateurs ont maintenant fait des découvertes surprenantes concernant le comportement des électrons, comme ils le rapportent dans la revue scientifique La nature .
Motif moiré dans un cristal
Pour créer des interactions fortes entre les électrons de manière contrôlée, Le groupe de recherche d'Imamoğlu a utilisé des tranches ultrafines constituées de couches d'un cristal de diséléniure de molybdène d'une épaisseur d'un atome seulement. De telles tranches sont également connues sous le nom de matériaux bidimensionnels car les électrons qu'elles contiennent ne peuvent se déplacer librement que dans un seul plan. Cette caractéristique à elle seule apporte déjà une foule de propriétés surprenantes telles que celles observées dans le graphène, qui appartient également à la classe des matériaux bidimensionnels.
Les choses deviennent encore plus intéressantes, cependant, lorsque deux de ces tranches sont superposées avec leurs directions de cristal légèrement tordues. Cela conduit à un effet connu de la télévision :si quelqu'un porte une cravate ou une robe en tissu à carreaux ou à rayures, des motifs étranges apparaissent parfois à l'écran. Ceux-ci sont également connus sous le nom de motifs moirés.
Quelque chose de similaire se produit dans les matériaux d'Imamoğlu. La torsion entre les deux tranches crée une sorte de réseau de cristal moiré qui équivaut à un cristal fictif avec des atomes plus éloignés que d'habitude. Un tel cristal a une influence beaucoup plus faible sur le mouvement des électrons, ce qui signifie que les interactions entre les électrons deviennent plus importantes en comparaison.
L'effet moiré avec deux treillis superposés. La légère torsion entre les réseaux se traduit par un motif moiré plus grossier avec des points de réseau distants (régions claires et sombres). Crédit :ETH Zurich / Yuya Shimazaki
Propriétés surprenantes
"Penser 'plus c'est mieux, ' nous avons en outre inséré une fine couche d'un matériau différent entre les tranches de diséléniure de molybdène, " dit Yuya Shimazaki, post-doctorat de premier plan dans le groupe d'Imamoğlu. Cette tranche de nitrure de bore garantit que, bien que les deux tranches torsadées soient très proches l'une de l'autre, les électrons ne peuvent pas aller et venir entre eux. En appliquant une tension électrique au matériau, on peut alors contrôler exactement le nombre d'électrons présents à l'intérieur. Finalement, pour savoir comment les électrons se déplacent à l'intérieur de ce matériau sandwich, les chercheurs l'ont illuminé avec une lumière laser, excitant ainsi les électrons.
"Notre matériel nous permet d'étudier les électrons avec des moyens optiques, " explique Imamoğlu. " C'est un gros avantage par rapport à d'autres matériaux 2D comme le graphène. " A partir des signaux lumineux émis par les électrons excités, de nombreuses propriétés déroutantes des électrons peuvent être déduites. Ce qui a le plus surpris les physiciens, c'est le comportement de leur matériau lorsqu'il contenait autant d'électrons qu'il y avait de sites de réseau dans les motifs moirés des deux tranches.
Dans ce cas, ce que l'on appelle les états isolants de Mott, dans lequel exactement un électron occupe un site de réseau, apparaissait dans les deux tranches. Cet état était assez particulier car les états des isolants Mott se stabilisaient les uns les autres, de telle sorte que même de forts champs électriques externes ne pouvaient pas les déplacer et donc aucun courant ne passait. "C'est la première fois qu'un tel comportement est observé, " dit Imamoglu.
Matériel idéal pour de futures investigations
Le nouveau matériau ouvre la voie à une série d'autres enquêtes passionnantes. Il est idéal pour les expériences contrôlées avec des électrons en interaction forte. Les chercheurs peuvent modifier les propriétés du matériau et la force des interactions à travers la couche de nitrure de bore et l'angle entre les tranches de diséléniure de molybdène. Cela leur permet d'étudier des processus physiques complexes qui sont difficiles à réaliser dans d'autres matériaux.
