Une décennie d'études dédiées

Depuis la découverte du graphène par Andre Geim et Konstantin Novoselov à l'Université de Manchester en 2004 (qui a finalement conduit à un prix Nobel de physique en 2010), MacDonald a été fasciné par ces étranges, systèmes à deux dimensions et la nouvelle physique qu'ils peuvent contenir.

Il a commencé à étudier la matière presque immédiatement et, depuis 2004, a utilisé des superordinateurs au Texas Advanced Computing Center (TACC) pour explorer la structure électronique du graphène et d'autres matériaux 2D.

"Mon travail consiste à prédire des phénomènes inhabituels qui n'ont jamais été vus auparavant, ou essayer de comprendre des phénomènes qui ne sont pas bien compris, " a déclaré MacDonald. "Je suis attiré par la théorie qui se connecte directement aux choses qui se produisent réellement, et je m'intéresse au pouvoir des mathématiques et de la théorie pour décrire le monde réel."

Les propriétés étranges des matériaux en couches 2-D semblent liées aux interactions, qui deviennent beaucoup plus cruciales lorsque les électrons ralentissent, induisant de fortes corrélations entre les électrons individuels. Typiquement, les électrons tournent presque séparément autour du noyau dans les orbitales atomiques, s'installer dans des états quantiques avec les énergies disponibles les plus faibles. Cela ne semble pas être le cas dans le graphène à angle magique.

"Essentiellement, rien de bien intéressant ne peut arriver lorsque les électrons s'organisent comme ils le font dans un atome en occupant les orbitales les plus énergétiques, " a déclaré MacDonald. " Mais une fois que leur sort est déterminé par les interactions entre les électrons, alors des choses intéressantes peuvent arriver."

Comment peut-on même étudier ce qui se passe dans les systèmes 2-D en couches - connus, techniquement, comme hétérostructures de van der Waals ? "Voir" les électrons en mouvement est presque impossible. Les mesures fournissent des indices, mais les résultats sont obliques et souvent contre-intuitifs. Modèles informatiques, MacDonald croit, peut aider à ajouter à l'image émergente des électrons confinés.

Les modèles informatiques qui représentent la structure électronique classique sont bien développés et très précis dans la plupart des cas, mais ils doivent être ajustés face à la physique étrange des hétérojonctions.

Modifier ces facteurs signifie réécrire le modèle dominant pour refléter le comportement des électrons en interaction forte, une tâche sur laquelle MacDonald et les chercheurs de son laboratoire travaillent actuellement, en utilisant le supercalculateur Stampede2 de TACC, l'un des plus puissants au monde, pour tester des modèles et exécuter des simulations. De plus, un nombre toujours plus grand d'électrons doit être inclus afin de reproduire avec précision les résultats qui émergent des laboratoires du monde entier.

"Le système réel a des milliards d'électrons, " expliqua MacDonald. " Au fur et à mesure que vous augmentez le nombre d'électrons, vous dépassez rapidement les capacités de n'importe quel ordinateur. Donc, l'une des approches que nous utilisons, dans le travail dirigé par Pawel Potasz - un visiteur de Pologne - est de résoudre le problème électronique pour de petits nombres d'électrons et d'extrapoler le comportement à de grands nombres."

Appliquer la théorie à des systèmes inédits

Tout en travaillant à reconcevoir des modèles de structure électronique et à les adapter à un nombre toujours plus grand d'électrons, MacDonald trouve encore le temps de collaborer avec des groupes expérimentaux du monde entier, ajoutant ses connaissances théoriques et informatiques à leurs découvertes.

Pendant des années après la découverte de l'angle magique, des difficultés pratiques à créer des formes pures de matériaux 2-D en couches avec des angles de rotation précis ont limité le champ. Mais en 2016, un autre chercheur de l'UT, Emmanuel Tutuc, et son étudiant diplômé, Kyoungwan Kim, développé une méthode fiable pour créer de tels systèmes, non seulement en utilisant du graphène, mais d'un certain nombre de matériaux 2D différents.

"La percée était vraiment une technique que mon élève a introduite, qui consiste à prélever une grosse couche, le diviser en deux et prendre un segment et le mettre au-dessus de l'autre, " a déclaré Tutuc.

La raison qui n'avait pas été mise en œuvre auparavant est qu'il est très difficile de ramasser un morceau de matériau de la taille d'un micron de l'épaisseur d'un atome. Kim a inventé un collant, manche hémisphérique pouvant soulever un flocon individuel, laissant tout le reste dans sa proximité intact.

« Une fois cela fait, les possibilités sont devenues infinies, " continua-t-il. " Peu de temps après, le même étudiant a dit, 'D'ACCORD, maintenant que nous pouvons les aligner avec la très haute précision, allons-y et tordons-les. C'était donc la prochaine étape."

Dans les années récentes, MacDonald et son équipe ont exploré des piles de trois, quatre ou cinq couches de graphène, ainsi que d'autres matériaux prometteurs, en particulier les chalcogénures de métaux de transition, à la recherche de phénomènes inhabituels et potentiellement utiles.

Écrire dans La nature en février 2019, MacDonald, Tutu, Elaine Li, physicienne de l'UT Austin, et une grande équipe internationale a décrit l'observation d'excitons indirects dans une hétérobicouche de diséléniure de molybdène/diséléniure de tungstène (MoSe2/WSe2) avec un petit angle de torsion.

Les excitons sont des quasi-particules constituées d'un électron et d'un trou qui s'attirent et se maintiennent en place. Ceux-ci existent généralement dans une seule couche. Cependant, avec certains matériaux 2D, il leur est possible d'exister sur différentes couches, ce qui augmente considérablement leur durée d'existence. Cela peut permettre la superfluidité, l'écoulement sans entrave des liquides, une propriété que l'on ne voyait auparavant que dans l'hélium liquide.

Maintenant, MacDonald et une équipe d'Espagne, La Chine et le Japon ont publié une étude en La nature du graphène à angle magique qui a montré que le matériau peut présenter des phases supraconductrices et isolantes alternées qui peuvent être activées ou désactivées avec un petit changement de tension, similaires aux tensions utilisées dans les circuits intégrés, augmentant son utilité pour les appareils électroniques. Pour arriver à ce résultat, les membres de l'équipe de l'Institut catalan de physique optique ont produit des super-réseaux de graphène avec des torsions plus uniformes qu'auparavant. En faisant ainsi, ils ont découvert que le schéma des états isolants et supraconducteurs entrelacés est encore plus complexe que prévu.

Les superordinateurs TACC sont un outil essentiel dans la recherche de MacDonald et ont été utilisés pour la modélisation théorique des données dans le récent La nature papier.

"Beaucoup de choses que nous faisons, on ne pourrait plus se passer d'un ordinateur performant, " a-t-il affirmé. " Nous commençons à courir sur un ordinateur de bureau, puis nous nous enlisons rapidement. Alors très souvent, utiliser un superordinateur fait la différence entre pouvoir obtenir une réponse satisfaisante et ne pas pouvoir obtenir de réponse satisfaisante."

Bien que les résultats des expériences informatiques puissent sembler moins immédiats ou "réels" que ceux d'un laboratoire, comme l'a montré MacDonald, les résultats peuvent exposer de nouvelles voies d'exploration et aider à éclairer les mystères de l'univers.

"Ce qui a dynamisé mon travail, c'est que la nature pose toujours de nouveaux problèmes. Et quand vous posez un nouveau type de question, vous ne savez pas à l'avance quelle est la réponse, " a déclaré MacDonald. " La recherche est une aventure, une aventure communautaire, une marche aléatoire collective, par lequel la connaissance avance."