(PhysOrg.com) -- Premièrement, c'était les molécules en forme de ballon de football surnommées buckyballs. Ensuite, ce sont les nanotubes de forme cylindrique. Maintenant, le nouveau matériau le plus en vogue en physique et en nanotechnologie est le graphène :une molécule remarquablement plate composée d'atomes de carbone disposés en anneaux hexagonaux un peu comme du grillage moléculaire.

Non seulement c'est le matériau le plus fin possible, mais il est également 10 fois plus résistant que l'acier et il conduit mieux l'électricité que tout autre matériau connu à température ambiante. Celles-ci et d'autres propriétés exotiques du graphène ont suscité l'intérêt des physiciens, qui veulent les étudier, et nanotechnologues, qui veulent les exploiter pour fabriquer de nouveaux appareils électriques et mécaniques.

"Il y a deux caractéristiques qui rendent le graphène exceptionnel, " dit Kirill Bolotin, qui vient de rejoindre le département de physique et d'astronomie de Vanderbilt en tant que professeur adjoint. "D'abord, sa structure moléculaire est si résistante aux défauts que les chercheurs ont dû les fabriquer à la main pour étudier leurs effets. Seconde, les électrons qui transportent des charges électriques voyagent beaucoup plus rapidement et se comportent généralement comme s'ils avaient une masse bien inférieure à celle des métaux ordinaires ou des supraconducteurs."

Bolotin a été directement impliqué dans les efforts pour fabriquer et caractériser ce nouveau matériau exotique en tant que boursier post-doctoral dans le laboratoire de Philip Kim à l'Université de Columbia. Dans un article publié la semaine dernière dans la revue La nature , lui et ses collègues de Columbia rapportent qu'ils ont réussi à nettoyer suffisamment le graphène pour qu'il présente un phénomène électrique étrange appelé effet Hall quantique fractionnaire, où les électrons agissent ensemble pour créer de nouvelles particules avec des charges électriques qui sont une fraction de celle des électrons individuels.

Bien que le graphène soit le premier matériau cristallin véritablement bidimensionnel qui ait été découvert, au fil des ans, les scientifiques ont beaucoup réfléchi au comportement des gaz et des solides bidimensionnels. Ils ont également réussi à créer une approximation proche d'un gaz d'électrons bidimensionnel en liant ensemble deux semi-conducteurs légèrement différents. Les électrons sont confinés à l'interface entre les deux et leurs mouvements sont limités à deux dimensions. Lorsqu'un tel système est refroidi à moins d'un degré au-dessus du zéro absolu et qu'un champ magnétique puissant est appliqué, alors l'effet Hall quantique fractionnaire apparaît.

Depuis que les scientifiques ont découvert comment fabriquer du graphène il y a cinq ans, ils ont essayé de faire en sorte qu'il présente cet effet avec un succès marginal. Selon Bolotin, le groupe Columbia a compris que l'interférence de la surface sur laquelle le graphène était assis était le problème. Ils ont donc appliqué des techniques de lithographie semi-conductrice pour suspendre des feuilles de graphène ultrapropres entre des poteaux microscopiques au-dessus de la surface des puces semi-conductrices. Lorsqu'ils ont refroidi cette configuration à moins de six degrés du zéro absolu et appliqué un champ magnétique, le graphène a généré un effet Hall quantique robuste tel que prédit par la théorie.

La meilleure façon de comprendre cet effet contre-intuitif est de considérer les électrons du graphène comme une mer de charge (très mince) qui forme. Lorsque le champ magnétique est appliqué, il génère des tourbillons dans le fluide électronique. Parce que les électrons portent une charge négative, ces tourbillons ont une charge positive. Ils se forment avec des charges fractionnaires telles qu'un tiers, la moitié et les deux tiers de celle d'un électron. Ces porteurs de charge positifs sont attirés et s'attachent aux électrons de conduction, créant des quasi-particules avec des charges fractionnaires.

Comprendre les propriétés électriques du graphène est important car, contrairement aux autres matériaux utilisés par l'industrie électronique, il reste stable et conducteur jusqu'à l'échelle moléculaire. Par conséquent, lorsque la technologie silicium actuelle atteint sa limite fondamentale de miniaturisation dans les années à venir, le graphène pourrait très bien prendre sa place.

Pendant ce temps, certains physiciens théoriciens s'intéressent au graphène pour une raison totalement différente :il offre une nouvelle façon de tester leurs théories.

Lorsque les électrons se déplacent à travers les métaux ordinaires, ils interagissent avec les champs électriques produits par le réseau d'atomes métalliques, qui les poussent et les tirent d'une manière complexe. Le résultat net est que les électrons agissent comme s'ils avaient une masse différente de celle des électrons ordinaires. Les physiciens appellent donc cela une « masse effective » et les considèrent comme des quasi-particules. Lorsqu'ils voyagent à travers le graphène, ils agissent également comme des quasi-particules, mais ils se comportent comme s'ils avaient une masse nulle. Il s'avère que les quasiparticules de graphène, contrairement à ceux dans d'autres matériaux, obéir aux règles de l'électrodynamique quantique, les mêmes équations relativistes que les physiciens utilisent pour décrire le comportement des particules dans les trous noirs et les accélérateurs de particules à haute énergie. Par conséquent, ce nouveau matériau pourrait permettre aux physiciens de mener des expériences sur table pour tester leurs modèles théoriques de certains des environnements les plus extrêmes de l'univers.

Plus d'information: www.nature.com/nature/journal/ … ull/nature08582.html

Source :Université Vanderbilt (actualité :web)