(Phys.org) —Le graphène est devenu un matériau miracle polyvalent, incitant des armées de chercheurs à explorer de nouvelles possibilités pour ce réseau bidimensionnel de carbone pur. Mais de nouvelles recherches au MIT ont découvert un potentiel supplémentaire pour le matériau en découvrant des caractéristiques inattendues qui apparaissent dans certaines conditions extrêmes, des caractéristiques qui pourraient rendre le graphène adapté à des utilisations exotiques telles que l'informatique quantique.

La recherche est publiée cette semaine dans la revue La nature , dans un article des professeurs Pablo Jarillo-Herrero et Ray Ashoori, post-doctorants Andrea Young et Ben Hunt, étudiant diplômé Javier Sanchez-Yamaguchi, et trois autres. Sous un champ magnétique extrêmement puissant et à une température extrêmement basse, les chercheurs ont trouvé, le graphène peut filtrer efficacement les électrons selon la direction de leur spin, quelque chose qui ne peut être fait par aucun système électronique conventionnel.

Dans des conditions typiques, les feuilles de graphène se comportent comme des conducteurs normaux :appliquer une tension, et le courant circule à travers le flocon bidimensionnel. Si vous activez un champ magnétique perpendiculaire au flocon de graphène, cependant, le comportement change :le courant ne circule que le long du bord, tandis que la masse reste isolante. De plus, ce courant ne circule que dans un sens - horaire ou antihoraire, en fonction de l'orientation du champ magnétique - dans un phénomène connu sous le nom d'effet Hall quantique.

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont découvert que s'ils appliquaient un deuxième champ magnétique puissant, cette fois dans le même plan que le flocon de graphène, le comportement du matériau change à nouveau :les électrons peuvent se déplacer autour du bord conducteur dans les deux sens, avec des électrons qui ont un type de spin se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que ceux ayant le spin opposé se déplacent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

« Nous avons créé un type de conducteur inhabituel le long du bord, " dit Jeune, un boursier postdoctoral Pappalardo au département de physique du MIT et l'auteur principal de l'article, "pratiquement un fil unidimensionnel." La ségrégation des électrons selon le spin est « une caractéristique normale des isolants topologiques, " il dit, "mais le graphène n'est normalement pas un isolant topologique. Nous obtenons le même effet dans un système matériel très différent."

Quoi de plus, en faisant varier le champ magnétique, "nous pouvons activer et désactiver ces états de bord, " Young dit. Cette capacité de commutation signifie que, en principe, "nous pouvons en faire des circuits et des transistors, " il dit, ce qui n'a pas été réalisé auparavant dans les isolants topologiques conventionnels.

Il y a un autre avantage de cette sélectivité de rotation, Young dit : Il empêche un phénomène appelé « rétrodiffusion, " qui pourrait perturber le mouvement des électrons. Par conséquent, les imperfections qui ruineraient normalement les propriétés électroniques du matériau ont peu d'effet. "Même si les bords sont 'sales, ' les électrons sont transmis le long de ce bord presque parfaitement, " il dit.

Jarillo-Herrero, le Mitsui Career Development Associate Professor of Physics au MIT, dit que le comportement observé dans ces flocons de graphène a été prédit, mais jamais vu auparavant. Ce travail, il dit, c'est la première fois qu'un tel comportement sélectif en spin a été démontré dans une seule feuille de graphène, et aussi la première fois que quelqu'un a démontré sa capacité à « faire la transition entre ces deux régimes ».

Cela pourrait finalement conduire à une nouvelle façon de fabriquer une sorte d'ordinateur quantique, Jarillo-Herrero dit, quelque chose que les chercheurs ont essayé de faire, sans succès, depuis des décennies. Mais en raison des conditions extrêmes requises, Jeune dit, "ce serait une machine très spécialisée" utilisée uniquement pour des tâches de calcul hautement prioritaires, comme dans les laboratoires nationaux.

Achoori, professeur de physique, souligne que les états de bord nouvellement découverts ont un certain nombre de propriétés surprenantes. Par exemple, bien que l'or soit un conducteur électrique exceptionnellement bon, lorsque des touches d'or sont ajoutées au bord des flocons de graphène, ils font augmenter la résistance électrique. Les taches d'or permettent aux électrons de se rétrodiffuser dans l'état de déplacement opposé en mélangeant les spins des électrons ; plus on ajoute d'or, plus la résistance monte.

Cette recherche représente "une nouvelle direction" dans les isolants topologiques, dit Jeune. "Nous ne savons pas vraiment à quoi cela peut mener, mais cela ouvre notre réflexion sur le type d'appareils électriques que nous pouvons fabriquer."

Les expériences nécessitaient l'utilisation d'un champ magnétique d'une intensité de 35 tesla - "environ 10 fois plus que dans un appareil IRM, " dit Jarillo-Herrero - et une température de seulement 0,3 degré Celsius au-dessus du zéro absolu. Cependant, l'équipe cherche déjà des moyens d'observer un effet similaire à des champs magnétiques d'un seul tesla - similaire à un puissant aimant de cuisine - et à des températures plus élevées.

Philippe Kim, un professeur de physique à l'Université Columbia qui n'était pas impliqué dans ce travail, dit, "Les auteurs ici ont magnifiquement démontré une excellente quantification de la conductance, " comme prédit par la théorie. Il ajoute, "C'est un très beau travail qui peut relier la physique des isolants topologiques à la physique du graphène avec des interactions. Ce travail est un bon exemple de la façon dont les deux sujets les plus populaires de la physique de la matière condensée sont connectés l'un à l'autre."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.