Les scientifiques ont récemment révélé, à la fois théoriquement et expérimentalement, que les atomes de germanium peuvent s'organiser en un réseau "bi-triangulaire" 2-D sur des films minces de diborure de zirconium développés sur des monocristaux de germanium pour former un "matériau à bande plate" avec un réseau "kagome" intégré. Le résultat fournit un support expérimental à une prédiction théorique des bandes plates émergeant de la géométrie atomique triviale et indique la possibilité de leur existence dans beaucoup plus de matériaux.

L'esprit humain est naturellement attiré par les objets qui possèdent une symétrie; En réalité, la notion de beauté est souvent confondue avec la symétrie. Dans la nature, rien n'incarne mieux la symétrie que les cristaux. Depuis leur découverte, les cristaux ont attiré beaucoup d'attention non seulement par leur attrait esthétique "symétrique" unique, mais aussi par leurs propriétés uniques. L'une de ces propriétés est le comportement des électrons à l'intérieur d'un cristal. D'un point de vue physique, un électron dans un cristal peut être entièrement caractérisé par son énergie et une quantité appelée "moment du cristal, " qui se rapporte à la vitesse à laquelle l'électron se déplace dans un cristal. La relation entre l'énergie et la quantité de mouvement des électrons est ce que les scientifiques appellent " structure de bande, " lequel, mettre tout simplement, est le niveau d'énergie autorisé pour les électrons dans le cristal.

Récemment, les scientifiques des matériaux ont tourné leur attention vers ce qu'on appelle les "matériaux à bande plate" - une classe de matériaux possédant une structure de bande dans laquelle l'énergie ne varie pas avec la quantité de mouvement du cristal et ressemble donc à une ligne plate lorsqu'elle est tracée en fonction de la quantité de mouvement du cristal - en raison de leur capacité à donner naissance à des états exotiques de la matière, tels que le ferromagnétisme (magnétisme spontané semblable au fer) et la supraconductivité (résistance nulle au flux d'électricité). Généralement, ces "bandes plates" sont observées dans des structures 2-D spéciales qui portent des noms comme "réseau en damier, " " dés en treillis, " " treillis de Kagome, " etc. et sont généralement observés soit à l'intérieur du cristal, soit à la surface des matériaux en couches. Une question pertinente se pose donc :est-il possible d'intégrer de tels réseaux dans des structures 2D complètement nouvelles ? Les efforts pour concevoir des matériaux 2D se sont concentrés en répondant à cette question, et une découverte récente suggère que la réponse est un « oui ».

Maintenant, dans une étude publiée dans Examen physique B en tant que communication rapide, une équipe internationale de scientifiques du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), l'Université de Tokyo, l'Agence japonaise de l'énergie atomique, et Institute for Molecular Science au Japon et Tamkang University à Taiwan, dirigé par le Dr Antoine Fleurence et le Pr Yukiko Yamada-Takamura, a signalé la possibilité d'un nouveau matériau à bande plate obtenu à partir d'atomes de germanium (Ge) s'arrangeant en un réseau bi-triangulaire 2-D sur des films minces de diborure de zirconium développés sur des monocristaux de germanium. Alors que l'équipe avait déjà développé ce matériau 2D il y a des années, ils n'ont pu dévoiler sa structure que récemment.

L'année dernière, une partie de l'équipe a publié un article théorique dans la même revue soulignant les conditions dans lesquelles un réseau bi-triangulaire 2D peut former une bande plate. Ils ont découvert que cela était lié à un réseau de « kagome » (ce qui signifie un motif de panier tressé en japonais), un terme inventé à l'origine par des physiciens japonais dans les années 50 pour étudier le magnétisme. "J'étais vraiment excité quand j'ai découvert que la structure électronique du réseau kagome peut être intégrée dans une structure 2D d'aspect très différent, " se souvient le professeur Chi-Cheng Lee, un physicien à l'université de Tamkang, Taïwan, impliqué dans l'étude, qui a prédit la présence de bandes plates dans le réseau "bitriangulaire".

La prédiction a finalement été confirmée après que l'équipe, dans leur étude actuelle, caractérisé le matériau 2-D préparé en utilisant diverses techniques telles que la microscopie à effet tunnel, diffraction des positons, et émission de photoélectrons au niveau du cœur et à résolution angulaire; et soutenu les données expérimentales avec des calculs théoriques pour révéler le réseau bi-triangulaire sous-jacent.

"Le résultat est vraiment excitant car il montre que des bandes plates peuvent émerger même de structures triviales et peuvent éventuellement être réalisées dans beaucoup plus de matériaux. Notre prochaine étape est de voir ce qui se passe à basse température, et comment il est lié aux bandes plates du réseau bi-triangulaire Ge, " dit le Dr Fleurence, qui est également le premier auteur de cet article.

En effet, qui aurait pensé qu'un typique, un semi-conducteur ordinaire comme le germanium pourrait offrir des possibilités aussi exotiques et sans précédent ? Le monde 2-D pourrait avoir plus de surprises dans son sac que nous ne l'imaginons.