(PhysOrg.com) -- En étudiant trois couches de graphène -- des feuilles d'atomes de carbone en nid d'abeille -- empilées d'une manière particulière, Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont découvert un « petit univers » peuplé d'un nouveau type de « quasi-particules » – des excitations de charge électrique semblables à des particules. Contrairement aux quasiparticules de type photon sans masse dans le graphène monocouche, ces nouvelles quasiparticules ont une masse, qui dépend de leur énergie (ou vitesse), et deviendrait infiniment massif au repos.

Cette accumulation de masse à basse énergie signifie ce système de graphène tricouche, s'il est magnétisé en l'incorporant dans une hétérostructure à matériau magnétique, pourrait potentiellement générer une densité beaucoup plus grande de porteurs de charge polarisés en spin que le graphène monocouche, ce qui le rend très attrayant pour une nouvelle classe de dispositifs basés sur le contrôle non seulement de la charge électrique mais aussi du spin, communément appelée spintronique.

« Nos recherches montrent que ces quasiparticules très inhabituelles, prédit par la théorie, existent réellement dans le graphène à trois couches, et qu'ils régissent des propriétés telles que le comportement du matériau dans un champ magnétique - une propriété qui pourrait être utilisée pour contrôler les appareils électroniques à base de graphène, " a déclaré le physicien de Brookhaven Igor Zaliznyak, qui a dirigé l'équipe de recherche. Leurs travaux mesurant les propriétés du graphène à trois couches comme première étape vers l'ingénierie de tels dispositifs ont été publiés en ligne dans Physique de la nature le 25 septembre, 2011.

Le graphène fait l'objet d'intenses recherches depuis sa découverte en 2004, notamment du fait du comportement inhabituel de ses électrons, qui coulent librement à travers plat, feuilles monocouches de la substance. L'empilement des couches modifie la façon dont les électrons circulent :l'empilement de deux couches, par exemple, fournit une rupture « accordable » dans les niveaux d'énergie que les électrons peuvent occuper, donnant ainsi aux scientifiques un moyen d'activer et de désactiver le courant. Cela ouvre la possibilité d'incorporer la substance peu coûteuse dans de nouveaux types d'électronique.

Avec trois couches, la situation se complique, les scientifiques ont trouvé, mais aussi potentiellement plus puissant.

Une variable importante est la façon dont les couches sont empilées :dans les systèmes « ABA », les atomes de carbone constituant les anneaux en nid d'abeille sont directement alignés dans les couches supérieure et inférieure (A) tandis que ceux de la couche médiane (B) sont décalés; dans les variantes « ABC », les nids d'abeilles de chaque couche empilée sont décalés, monter couche par couche comme un escalier. Jusque là, L'empilement ABC semble donner lieu à des comportements plus intéressants, tels que ceux qui font l'objet de la présente étude.

Pour cette étude, les scientifiques ont créé le graphène à trois couches au Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven Lab, le décoller du graphite, la forme de carbone trouvée dans la mine de crayon. Ils ont utilisé la microscopie microRaman pour cartographier les échantillons et identifier ceux avec trois couches empilées dans l'arrangement ABC. Puis ils ont utilisé les outils de nanolithographie du CFN, y compris le broyage par faisceau d'ions, façonner les échantillons d'une manière particulière afin qu'ils puissent être connectés à des électrodes pour les mesures.

Au National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) à Tallahassee, Floride, les scientifiques ont ensuite étudié les propriétés électroniques du matériau - en particulier l'effet d'un champ magnétique externe sur le transport de la charge électronique en fonction de la densité des porteurs de charge, force du champ magnétique, et la température.

« En fin de compte, la réussite de ce projet reposait sur un travail acharné et les rares prouesses expérimentales de jeunes chercheurs talentueux avec lesquels nous nous sommes engagés dans ces études, en particulier, Liyuan Zhang, qui à l'époque était associé de recherche à Brookhaven, et Yan Zhang, puis étudiant diplômé de l'Université Stony Brook, », a déclaré Igor Zaliznyak.

Les mesures fournissent la première preuve expérimentale de l'existence d'un type particulier de quasiparticule, ou une excitation électronique qui agit comme une particule et sert de porteur de charge dans le système de graphène à trois couches. Ces quasiparticules particulières, qui ont été prédites par des études théoriques, ont une masse mal définie, c'est-à-dire ils se comportent comme s'ils avaient une gamme de masses - et ces masses divergent à mesure que le niveau d'énergie diminue avec des quasi-particules devenant infiniment massives.

Normalement, de telles particules seraient instables et ne pourraient pas exister en raison d'interactions avec des paires virtuelles particule-trou - similaires aux paires virtuelles d'électrons et de positrons chargés de manière opposée, qui s'annihilent lorsqu'ils interagissent. Mais une propriété des quasiparticules appelée chiralité, qui est lié à une saveur particulière de spin dans les systèmes de graphène, empêche les quasi-particules d'être détruites par ces interactions. Ainsi, ces particules exotiques infiniment massives peuvent exister.

"Ces résultats fournissent une validation expérimentale pour le grand nombre de travaux théoriques récents sur le graphène, et découvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour de futures études visant à utiliser les propriétés exotiques de ces quasiparticules, ", a déclaré Zaliznyak.

Par exemple, la combinaison de matériaux magnétiques avec du graphène tricouche pourrait aligner les spins des quasiparticules porteuses de charge. « Nous pensons que de telles hétérostructures graphène-aimant avec des porteurs de charge polarisés en spin pourraient conduire à de réelles avancées dans le domaine de la spintronique, ", a déclaré Zaliznyak.