Depuis une cinquantaine d'années, les scientifiques travaillent à exploiter les oscillations de Bloch, un type de comportement exotique des électrons qui pourrait introduire un nouveau domaine de la physique – et de nouvelles technologies importantes – tout comme le comportement électronique plus conventionnel a conduit à tout, des montres intelligentes aux ordinateurs suffisamment puissants pour nous amener sur la Lune.

Maintenant, Les physiciens du MIT présentent une nouvelle approche pour obtenir des oscillations de Bloch dans les super-réseaux de graphène récemment introduits. Graphène, un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d'abeille, est un excellent conducteur d'électricité. Ses propriétés électroniques subissent une transformation intéressante en présence d'un "maillage électrique" (un potentiel périodique), résultant en de nouveaux types de comportement des électrons que l'on ne voit pas dans les matériaux vierges. Dans un récent numéro de Lettres d'examen physique , les scientifiques expliquent pourquoi les super-réseaux de graphène peuvent changer la donne dans la poursuite des oscillations de Bloch.

Normalement, les électrons exposés à un champ électrique constant accélèrent en ligne droite. Cependant, la mécanique quantique prédit que les électrons dans un cristal, ou un matériau composé d'atomes disposés de manière ordonnée, peut se comporter différemment. Lors de l'exposition à un champ électrique, ils peuvent osciller en ondes minuscules, oscillations de Bloch. "Ce comportement surprenant est un exemple emblématique de dynamique cohérente dans les systèmes quantiques à plusieurs corps, " dit Leonid Levitov, professeur de physique au MIT et responsable des travaux en cours. Levitov est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Les autres auteurs sont Ali Fahimniya et Zhiyu Dong, deux étudiants diplômés du MIT en physique, et Egor I. Kiselev de Karlsruher Institut fur Technologie.

Vers de nouvelles applications

Surtout, Les oscillations de Bloch se produisent à une valeur de fréquence qui est la même pour tous les électrons et est accordable par le champ électrique appliqué. Plus loin, valeurs de fréquence typiques - dans la gamme térahertz, ou des milliers de milliards de cycles par seconde - sont dans une plage difficile d'accès par des moyens conventionnels. L'électronique et l'optique d'aujourd'hui fonctionnent à des fréquences inférieures et supérieures au térahertz, respectivement. "Les fréquences térahertz sont quelque chose entre les deux, et nous n'en bénéficions pas autant que du reste du spectre, " dit Levitov. " Si nous pouvions y accéder facilement, il peut y avoir de nombreuses applications, allant d'un meilleur balayage de sécurité non invasif dans les aéroports à de nouvelles conceptions électroniques."

En raison de la physique intéressante et des applications potentielles des oscillations de Bloch, au fil des ans, de nombreux scientifiques ont essayé de démontrer le comportement. oscillations de Bloch, cependant, sont très sensibles aux processus de diffusion dans le matériau dus aux vibrations du réseau (phonons) et au désordre. Par conséquent, bien que des travaux antérieurs visant à créer des oscillations de Bloch aient été extrêmement importants - une approche, s'appuyant sur des super-réseaux semi-conducteurs, a conduit à un prix Nobel et aux lasers à l'état solide modernes - il n'a rencontré qu'un succès limité vers son objectif initial. "Les gens ont vu des signatures d'oscillations de Bloch dans ces systèmes, mais pas au niveau qui serait utile pour quoi que ce soit de pratique. Il y a eu forcément un déphasage, ce qui s'est avéré assez accablant [pour le phénomène], " dit Levitov.

Un nouveau matériau

Entrez un nouveau matériau connu sous le nom de graphène moiré. Initié au MIT par le professeur de physique Pablo Jarillo-Herrero, Le graphène moiré est composé de deux feuilles de couches de graphène atomiquement minces placées l'une sur l'autre et tournées à un léger angle. "Et selon la théorie, ce matériau devrait être un candidat idéal pour voir les oscillations de Bloch, " dit Levitov. Dans le journal récent, lui et ses collègues ont analysé les paramètres du matériau qui ont un impact sur la façon dont les électrons s'y déplacent et le peu de désordre qu'il présente, et "nous montrons que sur tous les comptes, le graphène moiré est aussi bon que les super-réseaux semi-conducteurs, ou mieux."

Par ailleurs, d'autres variétés attrayantes de super-réseaux sont apparues récemment, impliquant du graphène associé à du nitrure de bore hexagonal, ou avec des super-réseaux diélectriques à motifs. Parmi les avantages supplémentaires, les super-réseaux de graphène sont beaucoup plus faciles à réaliser que les structures compliquées clés des travaux antérieurs. "Ces systèmes n'ont été produits que par quelques groupes hautement qualifiés dans le monde, " dit Levitov. Le graphène moiré est déjà fabriqué par plusieurs groupes aux États-Unis seulement, et bien d'autres dans le monde.

Finalement, Levitov et ses collègues disent, Le graphène moiré répond à un autre critère important pour rendre les oscillations de Bloch pratiques. Alors que les électrons impliqués dans les oscillations le font à la même fréquence térahertz, sans un peu d'aide, ils le feront indépendamment. La clé est de les persuader d'osciller en synchronie. " Si tu peux faire ça, on passe alors d'un phénomène essentiellement monoélectronique à des oscillations macroscopiques qui seront facilement détectables et très exploitables car elles deviendront une source de courant macroscopique, " dit Levitov. Les scientifiques pensent que les électrons du graphène moiré devraient se prêter à une synchronisation à l'aide de techniques standard.

Dmitri Basov, Professeur Higgins et titulaire de la chaire de physique à l'Université de Columbia, commentaires, "Comme beaucoup d'autres prédictions de Leonid Levitov et de son équipe, ce nouveau résultat sur les oscillations de Bloch motivera très certainement de nombreuses études expérimentales. Je prédis qu'il ne sera pas facile d'observer les oscillations de Bloch dans les systèmes à bande plate moirée, mais nous allons certainement essayer. » Basov n'a pas été impliqué dans le travail rapporté dans Lettres d'examen physique .

Levitov est enthousiaste à l'idée de poursuivre le travail, qui comprendra des étudiants de premier cycle du MIT. "La meilleure partie de cela viendra plus tard lorsque nous verrons des résultats expérimentaux qui prouvent l'idée, " il dit.