L'image montre un schéma de graphène bicouche. Les billes bleues représentent des atomes de carbone. Crédit :Lau lab, UC Riverside
Une équipe de recherche dirigée par des physiciens de l'Université de Californie, Riverside a identifié une propriété du « graphène bicouche » (BLG) qui, selon les chercheurs, est analogue à la découverte du boson de Higgs en physique des particules.
Graphène, le matériau élastique le plus fin de la nature, est une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome disposée en un réseau hexagonal. En raison de la structure plane et semblable à du fil de poulet du graphène, les feuilles de celui-ci se prêtent bien à l'empilage.
BLG est formé lorsque deux feuilles de graphène sont empilées d'une manière spéciale. Comme le graphène, BLG a une capacité de transport de courant élevée, également connu sous le nom de conductivité électronique élevée. La capacité de transport de courant élevée résulte des vitesses extrêmement élevées que les électrons peuvent acquérir dans une feuille de graphène.
Les physiciens rapportent en ligne le 22 janvier dans Nature Nanotechnologie qu'en enquêtant sur les propriétés de BLG, ils ont découvert que lorsque le nombre d'électrons sur la feuille BLG est proche de 0, le matériau devient isolant (c'est-à-dire il résiste au flux de courant électrique) - une découverte qui a des implications pour l'utilisation du graphène comme matériau électronique dans les industries des semi-conducteurs et de l'électronique.
"BLG devient isolant parce que ses électrons s'organisent spontanément quand leur nombre est petit, " a déclaré Chun Ning (Jeanie) Lau, professeur agrégé de physique et d'astronomie et auteur principal du document de recherche. "Au lieu de se déplacer au hasard, les électrons se déplacent de façon ordonnée. C'est ce qu'on appelle la « brisure spontanée de la symétrie » en physique, et c'est un concept très important car c'est le même principe qui "dote" la masse des particules en physique des hautes énergies."
Lau a expliqué qu'un conducteur typique a un grand nombre d'électrons, qui se déplacent au hasard, un peu comme une fête avec dix mille invités sans sièges assignés aux tables à manger. Si la fête n'a que quatre invités, cependant, puis les invités devront interagir les uns avec les autres et s'asseoir à une table. De la même manière, lorsque BLG n'a que quelques électrons, les interactions amènent les électrons à se comporter de manière ordonnée.
Nouvelle particule quantique
Allan MacDonald, la Sid W. Richardson Foundation Regents Chair au Département de physique de l'Université du Texas à Austin et coauteur du document de recherche, a noté que l'équipe a mesuré la masse d'un nouveau type de particule quantique massive qui ne peut être trouvée qu'à l'intérieur des cristaux BLG.
"La physique qui donne à ces particules leur masse est étroitement analogue à la physique qui rend la masse d'un proton à l'intérieur d'un noyau atomique bien plus grande que la masse des quarks à partir desquels il est formé, " dit-il. " La particule de notre équipe est faite d'électrons, cependant, pas des quarks."
La photo montre une image au microscope électronique à balayage d'une feuille de graphène (rouge) suspendue entre deux électrodes. La longueur de la feuille de graphène représentée est d'environ 1/100 de la largeur d'un cheveu humain. Crédit :Lau lab, UC Riverside
MacDonald a expliqué que l'expérience menée par l'équipe de recherche était motivée par des travaux théoriques qui anticipaient que de nouvelles particules émergeraient de la mer d'électrons d'un cristal BLG.
"Maintenant que les particules tant attendues ont été trouvées, les futures expériences permettront de régler un débat théorique en cours sur leurs propriétés, " il a dit.
Applications pratiques
Une découverte importante de l'équipe de recherche est que le "gap d'énergie" intrinsèque dans BLG augmente avec l'augmentation du champ magnétique.
En physique du solide, un écart énergétique (ou écart de bande) fait référence à une plage d'énergie dans un solide où aucun état électronique ne peut exister. Généralement, la taille de l'écart énergétique d'un matériau détermine s'il s'agit d'un métal (pas d'écart), semi-conducteur (petit entrefer) ou isolant (grand entrefer). La présence d'un écart énergétique dans le silicium est critique pour l'industrie des semi-conducteurs car, pour les applications numériques, les ingénieurs doivent allumer l'appareil ou le conduire, et 'off' ou isolant.
Le graphène monocouche (SLG) est sans lacune, cependant, et ne peut pas être complètement éteint car quel que soit le nombre d'électrons sur SLG, il reste toujours métallique et conducteur.
"C'est terriblement désavantageux d'un point de vue électronique, " dit Lau, membre du Center for Nanoscale Science and Engineering de l'UC Riverside. "BLG, d'autre part, peut en fait être désactivé. Notre recherche est dans la phase initiale, et, présentement, la bande interdite est encore trop petite pour des applications pratiques. Ce qui est extrêmement excitant cependant, c'est que ce travail suggère une voie prometteuse - le graphène tricouche et le graphène tétracouche, qui sont susceptibles d'avoir des écarts énergétiques beaucoup plus importants qui peuvent être utilisés pour les technologies numériques et infrarouges. Nous avons déjà commencé à travailler avec ces matériaux."
