Les nanotubes de carbone métalliques sont très prometteurs pour des applications allant de la microélectronique aux lignes électriques en raison de leur transmission balistique d'électrons. Mais qui savait que les aimants pouvaient arrêter ces électrons dans leur élan ?

Le physicien du riz Junichiro Kono et son équipe ont étudié l'effet Aharonov-Bohm - l'interaction entre les particules chargées électriquement et les champs magnétiques - et son lien avec les nanotubes de carbone. Ce faisant, ils sont arrivés à la conclusion inattendue que les champs magnétiques peuvent transformer des nanotubes hautement conducteurs en semi-conducteurs.

Leurs conclusions sont publiées en ligne ce mois-ci dans Lettres d'examen physique .

"Quand vous appliquez un champ magnétique, une bande interdite s'ouvre et il devient un isolant, " dit Kono, un professeur Rice en génie électrique et informatique et en physique et astronomie. "Vous changez un conducteur en semi-conducteur, et vous pouvez basculer entre les deux. Cette expérience explore donc à la fois un aspect important des résultats de l'effet Aharonov-Bohm et les nouvelles propriétés magnétiques des nanotubes de carbone."

Kono, l'étudiant diplômé Thomas Searles et ses collègues du National Institute of Standards and Technology et au Japon ont réussi pour la première fois à mesurer la susceptibilité magnétique d'une variété de nanotubes; ils ont confirmé que les métaux sont beaucoup plus sensibles aux champs magnétiques que les nanotubes semi-conducteurs, en fonction de l'orientation et de la force du champ.

Les nanotubes à paroi simple (SWNT) - des feuilles de graphène enroulées - auraient tous la même apparence à l'œil nu si on pouvait les voir. Mais un examen plus attentif révèle que les nanotubes se présentent sous de nombreuses formes, ou chiralités, selon la façon dont ils sont roulés. Certains sont semi-conducteurs; certains sont des métaux hautement conducteurs. L'étalon-or pour la conductivité est le nanotube de fauteuil, ainsi appelé parce que les extrémités ouvertes forment un motif qui ressemble à des fauteuils.

Pas n'importe quel aimant ferait l'affaire pour leurs expériences. Kono et Searles se sont rendus au Tsukuba Magnet Laboratory du National Institute for Materials Science (NIMS) au Japon, où le deuxième plus grand électroaimant au monde a été utilisé pour taquiner un ensemble raffiné de 10 chiralités de SWNT, certains métalliques et certains semi-conducteurs, à livrer leurs secrets.

En augmentant le gros aimant jusqu'à 35 tesla, ils ont découvert que les nanotubes commenceraient à s'aligner en parallèle et que les métaux réagissaient beaucoup plus fortement que les semi-conducteurs. (En comparaison, l'appareil d'IRM moyen pour l'imagerie médicale a des électro-aimants évalués à 0,5 à 3 tesla.) L'analyse spectroscopique a confirmé les métaux, en particulier les nanotubes de fauteuil, étaient deux à quatre fois plus sensibles au champ magnétique que les semi-conducteurs et que chaque chiralité réagissait différemment.

Les nanotubes mesuraient tous environ 0,7 à 0,8 nanomètres de large et 500 nanomètres de long, les variations de taille n'étaient donc pas un facteur dans les résultats de Searles. Il a passé une semaine l'automne dernier à mener des expériences à l'« hybride, " un aimant supraconducteur de gros calibre qui contient un aimant résistif refroidi à l'eau.

Kono a déclaré que le travail se poursuivrait sur des lots purifiés de nanotubes produits par ultracentrifugation à Rice. Cela devrait fournir des informations plus précises sur leur sensibilité aux champs magnétiques, bien qu'il soupçonne que l'effet devrait être encore plus fort dans les métaux plus longs. "Ce travail montre clairement que les tubes métalliques et les tubes semi-conducteurs sont différents, mais maintenant que nous avons des échantillons enrichis en métal, on peut comparer différentes chiralités au sein de la famille métallique, " il a dit.