Un matériau composé de deux couches de carbone d'une épaisseur d'un atome a attiré l'attention des physiciens du monde entier pour ses propriétés conductrices intrigantes et potentiellement exploitables.

Dr Fan Zhang, professeur adjoint de physique à la School of Natural Sciences and Mathematics de l'Université du Texas à Dallas, et l'étudiant au doctorat en physique Qiyue Wang a publié un article en juin avec le groupe du Dr Fengnian Xia à l'Université de Yale à Photonique de la nature qui décrit comment la capacité du graphène bicouche torsadé à conduire des changements de courant électrique en réponse à la lumière infrarouge moyen.

D'une à deux couches

Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille plat, où chaque hexagone est formé de six atomes de carbone à ses sommets. Depuis le premier isolement du graphène en 2004, ses propriétés uniques ont été intensément étudiées par des scientifiques pour une utilisation potentielle dans des ordinateurs avancés, matériaux et appareils.

Si deux feuilles de graphène sont empilées l'une sur l'autre, et une couche est tournée de sorte que les couches soient légèrement désalignées, la configuration physique résultante, appelé graphène bicouche torsadé, donne des propriétés électroniques qui diffèrent significativement de celles présentées par une seule couche ou par deux couches alignées.

"Le graphène m'intéresse depuis une quinzaine d'années, " dit Zhang. " Une seule couche est intéressante à étudier, mais si nous avons deux couches, leur interaction devrait rendre la physique beaucoup plus riche et intéressante. C'est pourquoi nous voulons étudier les systèmes de graphène bicouche."

Un nouveau domaine émerge

Lorsque les couches de graphène sont mal alignées, un nouveau design périodique dans le maillage émerge, appelé motif moiré. Le motif moiré est aussi un hexagone, mais il peut être composé de plus de 10, 000 atomes de carbone.

"L'angle auquel les deux couches de graphène sont mal alignées - l'angle de torsion - est d'une importance cruciale pour les propriétés électroniques du matériau, " dit Wang. " Plus l'angle de torsion est petit, plus la périodicité du moirage est grande."

Les effets inhabituels d'angles de torsion spécifiques sur le comportement des électrons ont été proposés pour la première fois dans un article de 2011 du Dr Allan MacDonald, professeur de physique à l'UT Austin, et le Dr Rafi Bistritzer. Zhang a été témoin de la naissance de ce domaine en tant qu'étudiant au doctorat dans le groupe de MacDonald.

"À ce moment-là, d'autres n'ont vraiment pas prêté attention à la théorie, mais maintenant, c'est sans doute devenu le sujet le plus brûlant de la physique, " dit Zhang.

Dans cette recherche de 2011, MacDonald et Bistritzer ont prédit que l'énergie cinétique des électrons peut disparaître dans une bicouche de graphène mal alignée par le soi-disant «angle magique» de 1,1 degré. En 2018, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont prouvé cette théorie, constatant que le décalage de deux couches de graphène de 1,1 degré produisait un supraconducteur bidimensionnel, un matériau qui conduit le courant électrique sans résistance et sans perte d'énergie.

Dans un article de 2019 dans Science Advances, Zhang et Wang, avec le groupe du Dr Jeanie Lau à l'Ohio State University, a montré que lorsqu'il est décalé de 0,93 degrés, le graphène bicouche torsadé présente à la fois des états supraconducteur et isolant, élargissant ainsi considérablement l'angle magique.

« Dans nos précédents travaux, nous avons vu la supraconductivité ainsi que l'isolation. C'est ce qui fait de l'étude du graphène bicouche torsadé un champ si chaud :la supraconductivité. Le fait que vous puissiez manipuler du carbone pur en supraconducteur est incroyable et sans précédent, " a dit Wang.

Nouveaux résultats de l'UT Dallas

Dans ses recherches les plus récentes en photonique de la nature, Zhang et ses collaborateurs à Yale ont étudié si et comment le graphène bicouche torsadé interagit avec la lumière infrarouge moyen, que les humains ne peuvent pas voir mais peuvent détecter sous forme de chaleur.

« Les interactions entre la lumière et la matière sont utiles dans de nombreux appareils, par exemple, convertir la lumière du soleil en énergie électrique, " a dit Wang. " Presque tous les objets émettent de la lumière infrarouge, y compris les gens, et cette lumière peut être détectée avec des appareils."

Zhang est un physicien théoricien, lui et Wang ont donc cherché à déterminer comment la lumière infrarouge moyenne pourrait affecter la conductance des électrons dans le graphène bicouche torsadé. Leur travail consistait à calculer l'absorption lumineuse à partir de la structure de bande du motif moiré, un concept qui détermine comment les électrons se déplacent mécaniquement dans un matériau quantique.

"Le graphène intéresse depuis une quinzaine d'années. Une seule couche est intéressante à étudier, mais si nous avons deux couches, leur interaction devrait rendre la physique beaucoup plus riche et intéressante. C'est pourquoi nous voulons étudier les systèmes de graphène bicouche, " il dit.

"Il existe des méthodes standard pour calculer la structure de la bande et l'absorption de la lumière dans un cristal ordinaire, mais c'est un cristal artificiel, nous avons donc dû trouver une nouvelle méthode, " a déclaré Wang. En utilisant les ressources du Texas Advanced Computing Center, une installation de supercalculateur sur le campus de l'UT Austin, Wang a calculé la structure de la bande et a montré comment le matériau absorbe la lumière.

Le groupe de Yale a fabriqué des appareils et mené des expériences montrant que la photoréponse dans l'infrarouge moyen - l'augmentation de la conductance due à la lumière qui brille - était exceptionnellement forte et plus importante à l'angle de torsion de 1,8 degrés. La forte photoréponse a disparu pour un angle de torsion inférieur à 0,5 degré.

"Nos résultats théoriques correspondaient non seulement bien aux résultats expérimentaux, mais a également souligné un mécanisme qui est fondamentalement lié à la période de motif moiré, qui est lui-même relié à l'angle de torsion entre les deux couches de graphène, " dit Zhang.

L'étape suivante

"L'angle de torsion est clairement très important pour déterminer les propriétés du graphène bicouche torsadé, " a ajouté Zhang. " La question se pose :pouvons-nous appliquer cela pour régler d'autres matériaux bidimensionnels afin d'obtenir des fonctionnalités sans précédent ? Aussi, peut-on combiner la photoréponse et la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé ? Par exemple, Est-ce que briller une lumière peut induire ou moduler d'une manière ou d'une autre la supraconductivité ? Ce sera très intéressant à étudier."

« Cette nouvelle avancée permettra potentiellement de créer une nouvelle classe de détecteurs infrarouges à base de graphène à haute sensibilité, " a déclaré le Dr Joe Qiu, responsable de programme électronique et électromagnétique à semi-conducteurs à l'U.S. Army Research Office (ARO), un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine. "Ces nouveaux détecteurs auront potentiellement un impact sur des applications telles que la vision nocturne, ce qui est d'une importance cruciale pour l'armée américaine."