La science et la technologie en développement rapide du graphène et des matériaux atomiquement minces ont fait un nouveau pas en avant avec de nouvelles recherches de l'Université de Manchester.

Cette recherche, Publié dans Science , montre comment une variété de propriétés électroniques différentes - essentiellement de nouveaux matériaux - peuvent être obtenues simplement en appliquant un champ magnétique.

Les électrons à l'intérieur des matériaux se déplacent assez différemment d'un électron libre dans le vide :leurs propriétés sont fortement affectées par le potentiel électrique des ions composant le réseau cristallin. Cette interaction modifie la masse des électrons et fait des matériaux soit des métaux, soit des semi-conducteurs ou isolants, en fonction de la structure atomique détaillée. Cela fournit la grande variété de propriétés matérielles que nous connaissons et avec lesquelles nous travaillons.

Plus tôt, les chercheurs de l'Université de Manchester ont trouvé des moyens de créer de nouveaux matériaux avec des propriétés électroniques sur mesure en plaçant un matériau électronique (dans ce cas du graphène) sur un autre cristal, nitrure de bore hexagonal. Maintenant, ils montrent comment créer toute une séquence de différents matériaux électroniques en réglant simplement le champ magnétique appliqué.

Dans cette combinaison de matériaux, les atomes de nitrure de bore créent un motif périodique pour les électrons dans le graphène connu sous le nom de super-réseau. Un tel super-réseau est caractérisé par l'échelle de longueur du motif périodique, alors que la force du champ magnétique appliqué peut être comptée dans ce qu'on appelle des quanta de flux, unités élémentaires de champ magnétique.

Une condition d'appariement est réalisée chaque fois qu'une fraction entière du quantum de flux pénètre à travers une zone donnée par le super-réseau élémentaire. A ces valeurs spéciales de champ magnétique, les chercheurs ont observé que les électrons ont commencé à se déplacer le long de lignes droites, comme si le champ magnétique était absent.

Cela contraste fortement avec le comportement connu des électrons dans un champ magnétique où les électrons doivent se déplacer le long de trajectoires courbes connues sous le nom d'orbites de cyclotron. En raison de ces changements de trajectoires droites à courbes et retour à de nombreuses conditions correspondantes, les chercheurs ont découvert des oscillations dans la conductivité électrique des super-réseaux de graphène.

Toutes les oscillations précédemment connues dans un champ magnétique nécessitent des basses températures, généralement égal au moment où l'hélium devient liquide. En revanche, les nouvelles oscillations ont été observées à des températures très élevées, bien au-dessus de la température ambiante.

Professeur Sir Andre Geim de l'Université de Manchester, qui a remporté le prix Nobel de physique en 2010 pour ses travaux sur le graphène, a dirigé l'effort expérimental et a déclaré:"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."

Un autre aspect remarquable de ce travail est que les super-réseaux de graphène ont déjà été utilisés pour étudier les papillons dits de Hofstadter, changements subtils dans la structure électronique avec champ magnétique. Ces changements présentent une structure fractale fascinante.

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