Considéré comme un remplacement possible des semi-conducteurs à base de silicium, graphène, une feuille de carbone pur, a été découvert pour avoir une propriété rare et étonnante qui pourrait le rendre mieux adapté aux futurs appareils électroniques.

Physiciens de l'Université de Californie, Berkeley, et le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ont découvert que l'étirement du graphène d'une manière spécifique produit des nanobulles, forçant les électrons à se comporter comme si un champ magnétique puissant les déplaçait.

Au lieu d'utiliser des bandes d'énergie, comme dans le graphène non contraint, les électrons au sein de chaque nanobulle individuelle se répartissent en niveaux d'énergie quantifiés. "Les niveaux d'énergie sont identiques à ceux qu'occuperait un électron s'il se déplaçait en rond dans un champ magnétique très intense; jusqu'à 300 tesla, qui est plus grand que n'importe quel laboratoire peut produire sauf dans de brèves explosions, " a déclaré Michael Crommie, professeur de physique à l'UC Berkeley et chercheur au LBNL. "Cela nous donne une nouvelle façon de contrôler la façon dont les électrons se déplacent dans le graphène, et ainsi contrôler les propriétés électroniques du graphène, par la contrainte. En contrôlant où les électrons se regroupent et à quelle énergie, vous pourriez les faire se déplacer plus ou moins facilement à travers le graphène, en effet, contrôler leur conductivité, propriétés optiques ou micro-ondes. Le contrôle du mouvement des électrons est la partie la plus essentielle de tout appareil électronique."

Alors que le champ magnétique terrestre au niveau du sol est de 31 microtesla, les imageurs à résonance magnétique utilisent des aimants de moins de 10 tesla. Crommie et ses collègues rapporteront la découverte dans le numéro du 30 juillet de la revue Science .

Crommie est impatient d'utiliser la propriété anormale du graphène pour étudier comment les électrons fonctionnent dans des champs qui, jusqu'à maintenant, n'ont pas été obtenus en laboratoire, malgré les implications techniques de la découverte. "Lorsque vous augmentez un champ magnétique, vous commencez à voir un comportement très intéressant parce que les électrons tournent en petits cercles, " at-il dit. " Cet effet nous donne une nouvelle façon d'induire ce comportement, même en l'absence d'un véritable champ magnétique."

Parmi les comportements étranges observés des électrons dans des champs magnétiques puissants figurent l'effet Hall quantique et l'effet Hall quantique fractionnaire, à basse température, les électrons tombent également dans des niveaux d'énergie quantifiés.

Découvert par hasard, le nouvel effet a été découvert lorsqu'un chercheur postdoctoral de l'UC Berkeley et des étudiants du laboratoire de Crommie ont cultivé du graphène à la surface d'un cristal de platine. Un peu comme du grillage à poules, Le graphène est une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome disposée selon un motif hexagonal. Lorsqu'il est cultivé sur du platine, les atomes de carbone ne s'alignent pas avec la structure cristalline triangulaire de la surface métallique. cette, à son tour, crée un motif de déformation dans le graphène comme s'il était tiré de trois directions différentes.

"La souche produit de petits, bulles de graphène triangulaires surélevées de 4 à 10 nanomètres de diamètre dans lesquelles les électrons occupent des niveaux d'énergie discrets plutôt que larges, gamme continue d'énergies permise par la structure de bande du graphène non contraint. Ce nouveau comportement électronique a été détecté par spectroscopie par microscopie à effet tunnel. Ces niveaux dits de Landau rappellent les niveaux d'énergie quantifiés des électrons dans le modèle simple de Bohr de l'atome, " dit Crommie.

Prédit pour la première fois pour les nanotubes de carbone en 1997 par Charles Kane et Eugene Mele de l'Université de Pennsylvanie, était l'apparition d'un champ pseudomagnétique en réponse à une contrainte dans le graphène. Les nanotubes sont simplement une forme enroulée de graphène.

Cependant, au cours de la dernière année, Francisco Guinée de l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid en Espagne, Mikhael Katsnelson de l'Université Radboud de Nimègue, les Pays-Bas, et A. K. Geim de l'Université de Manchester, L'Angleterre a prédit un effet Hall pseudo quantique dans le graphène contraint. C'est la même quantification que le groupe de recherche de Crommie a observée. Visiter le laboratoire de Crommie au moment de la découverte, physicien de l'université de Boston, Antonio Castro Neto, immédiatement reconnu les implications des données. Des expériences ultérieures ont confirmé, il reflétait l'effet Hall pseudo quantique comme prévu.

"Les théoriciens s'accrochent souvent à une idée et l'explorent théoriquement avant même que les expériences ne soient faites, et parfois ils font des prédictions qui semblent un peu folles au début. Ce qui est si excitant maintenant, c'est que nous avons des données qui montrent que ces idées ne sont pas si folles, " a déclaré Crommie. " L'observation de ces champs pseudomagnétiques géants ouvre la porte à l'électronique de contrainte à température ambiante, ' l'idée d'utiliser des déformations mécaniques dans le graphène pour concevoir son comportement pour différentes applications de dispositifs électroniques."

Crommie a également noté, les "champs pseudomagnétiques" à l'intérieur des nanobulles sont suffisamment élevés pour que les niveaux d'énergie soient séparés par des centaines de millivolts, ce qui est beaucoup plus élevé que la température ambiante. Même à température ambiante, le bruit thermique n'interférerait pas avec cet effet dans le graphène. Cependant, les expériences de nanobulles réalisées dans le laboratoire de Crommie ont été réalisées à très basse température.

Les électrons se déplaçant dans un champ magnétique tourneraient normalement autour des lignes de champ, mais dans les nanobulles tendues, les électrons tournent dans le plan de la feuille de graphène. C'est comme si un fort champ magnétique était appliqué perpendiculairement à la feuille, même lorsqu'il n'y a pas de champ magnétique réel. "Apparemment, " Crommie a dit, "le champ pseudomagnétique n'affecte que les électrons en mouvement et non les autres propriétés de l'électron, comme la rotation, qui sont affectés par des champs magnétiques réels."