Le graphène non dopé n'est pas un métal, semi-conducteur, ou isolant mais un semi-métal, dont les propriétés inhabituelles incluent des interactions électron-électron entre des particules largement séparées sur le réseau en nid d'abeille du graphène - ici suggérées par une impression d'artiste des diagrammes de Feynman souvent utilisés pour suivre de telles interactions. Les interactions ne se produisent que sur de très courtes distances dans les métaux ordinaires. Les interactions à longue portée modifient le caractère fondamental des porteurs de charge dans le graphène. Crédit :Image de Caitlin Youngquist, Laboratoire national Lawrence Berkeley
Graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur, était un objet de spéculation théorique bien avant qu'il ne soit réellement fait. La théorie prédit des propriétés extraordinaires pour le graphène, mais tester les prédictions par rapport aux résultats expérimentaux est souvent difficile.
Aujourd'hui, les chercheurs utilisant la source lumineuse avancée (ALS) du laboratoire national Lawrence Berkeley du département américain de l'Énergie (Berkeley Lab) ont franchi une étape importante pour confirmer que le graphène est tout aussi inhabituel que prévu - peut-être même plus.
"Le graphène n'est pas un semi-conducteur, pas un isolant, et non un métal, " dit David Siegel, l'auteur principal d'un article dans le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) rapportant les résultats de l'équipe de recherche. "C'est un type spécial de semi-métal, avec des propriétés électroniques encore plus intéressantes qu'on ne le soupçonne à première vue."
Siegel est un étudiant diplômé de la Division des sciences des matériaux (MSD) du Berkeley Lab et membre du groupe d'Alessandra Lanzara au Département de physique de l'Université de Californie à Berkeley. Lui et ses collègues ont utilisé la ligne de lumière ALS 12.0.1 pour sonder un échantillon de graphène spécialement préparé avec ARPES (spectroscopie de photoémission à résolution angulaire) afin d'observer comment le graphène non dopé - le matériau intrinsèque sans porteurs de charge supplémentaires - se comporte près du soi-disant "Pointe Dirac."
Les cônes de Dirac de graphène sont souvent dessinés avec des côtés droits (à gauche) indiquant une augmentation progressive de l'énergie, mais un spectre ARPES près du point de Dirac du graphène non dopé (esquissé en rouge à droite) présente une courbure distincte vers l'intérieur, indiquant des interactions électroniques se produisant à une distance de plus en plus longue et conduisant à des vitesses d'électrons plus élevées - l'une des façons dont l'électronique du graphène semi-métallique diffère de celle d'un métal. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Le point de Dirac est une caractéristique unique de la structure de bande du graphène. Contrairement à la structure de bande des semi-conducteurs, par exemple, le graphène n'a pas de bande interdite - pas de différence d'énergie entre la bande de valence remplie d'électrons et la bande de conduction inoccupée. Dans le graphène ces bandes sont représentées par deux cônes ("cônes de Dirac") dont les pointes se touchent, se croisant linéairement au point de Dirac. Lorsque la bande de valence du graphène est complètement remplie et la bande de conduction est complètement vide, le graphène peut être considéré comme "non dopé" ou "neutre de charge, " et c'est ici que certaines des propriétés intéressantes du graphène peuvent être observées.
Une expérience ARPES mesure soigneusement une tranche à travers les cônes en traçant directement l'énergie cinétique et l'angle des électrons qui sortent de l'échantillon de graphène lorsqu'ils sont excités par un faisceau de rayons X de l'ALS. Un spectre se développe lorsque ces électrons émis frappent l'écran du détecteur, construire progressivement une image du cône.
La façon dont les électrons interagissent dans le graphène non dopé est nettement différente de celle d'un métal :les côtés du cône (ou les pattes du X, dans un spectre ARPES) développent une courbure distincte vers l'intérieur, indiquant que les interactions électroniques se produisent à une distance de plus en plus longue - des distances allant jusqu'à 790 angströms - et conduisent à des vitesses d'électrons plus élevées. Ce sont des manifestations inhabituelles, jamais vu avant, d'un phénomène répandu appelé « renormalisation ».
Expérience contre théorie
Pour comprendre la signification des conclusions de l'équipe, cela aide à commencer par leur montage expérimental. Idéalement, les mesures de graphène non dopé seraient effectuées avec une feuille suspendue de graphène autoportant. Mais de nombreuses expériences ne peuvent être réalisées que si la cible repose sur un substrat solide, ce qui peut influencer les propriétés électroniques de la couche en surface et interférer avec l'expérience.
Siegel et ses collègues ont donc décidé d'étudier un type spécial de graphène "quasi-autonome", partant d'un substrat de carbure de silicium. Lorsqu'il est chauffé, le silicium est chassé du carbure de silicium et le carbone s'accumule à la surface sous la forme d'une couche relativement épaisse de graphite (le genre de carbone dans la mine de crayon). Mais les couches adjacentes de graphène dans l'échantillon de graphite épais sont tournées les unes par rapport aux autres, de sorte que chaque couche de la pile se comporte comme une seule couche isolée.
"En physique du solide, l'une des questions les plus fondamentales que l'on puisse se poser à propos d'un matériau est la nature de ses porteurs de charge, " dit Siegel. "Pour les métaux ordinaires, la réponse peut être décrite par la théorie des solides la plus puissante, connue sous le nom de théorie Fermi-liquide de Landau, " d'après le physicien soviétique Lev Landau et le physicien italien et naturalisé américain Enrico Fermi.
Alors que les électrons individuels transportent une charge - le courant électrique dans un fil de cuivre, par exemple - même dans un métal, ils ne peuvent pas être entièrement compris comme simples, particules indépendantes. Parce qu'ils interagissent constamment avec d'autres particules, les effets des interactions doivent être inclus; les électrons et les interactions peuvent être considérés comme des "quasiparticles, " qui se comportent un peu comme des électrons libres mais avec des masses et des vitesses différentes. Ces différences sont dérivées du processus mathématique appelé renormalisation.
Le liquide Fermi de Landau est composé de quasi-particules. En plus de décrire les caractéristiques des électrons et des interactions, Les liquides Fermi ont un certain nombre d'autres propriétés caractéristiques, et dans la plupart des matériaux, la théorie prend généralement la même forme. Il soutient que les porteurs de charge sont "habillés" par des interactions à plusieurs corps, qui servent également à filtrer les électrons et à empêcher ou à réduire leurs interactions à plus longue distance.
« Comme les propriétés de tant de matériaux sont à peu près les mêmes d'une manière généralisée, les physiciens sont toujours intéressés à trouver des systèmes qui diffèrent d'un liquide de Fermi normal, " dit Siegel. " C'est ce qui rend nos résultats si excitants. Le graphène non dopé diffère vraiment de ce que nous attendons d'un liquide Fermi normal, et nos résultats sont en bon accord avec les calculs théoriques."
L'exemple le plus frappant de la différence est peut-être l'interaction à longue portée entre les électrons dans le graphène semi-métallique, interactions qui seraient tamisées dans un métal normal. Siegel admet qu'il peut y avoir une controverse continue sur le comportement exact du graphène, "mais notre principal résultat est que nous avons confirmé la présence de ces non-dépistés, interactions à longue distance, qui modifient de manière fondamentale le comportement des quasiparticules du graphène."
