Cette image montre le professeur Donhee Ham et son étudiant Hosang Yoon dans le laboratoire de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences. Crédit :Eliza Grinnell, MER de Harvard.
(Phys.org) - Les électrons individuels dans le graphène sont sans masse, mais quand ils bougent ensemble, c'est une autre histoire. Graphène, une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur, a pris d'assaut le monde de la physique - en partie, car ses électrons se comportent comme des particules sans masse. Pourtant, ces électrons semblent avoir une double personnalité. Les phénomènes observés dans le domaine de la plasmonique du graphène suggèrent que lorsque les électrons se déplacent collectivement, ils doivent présenter une masse.
Après deux ans d'efforts, chercheurs dirigés par Donhee Ham, Gordon McKay Professeur de génie électrique et de physique appliquée à la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), et son élève Hosang Yoon, Ph.D.'14, ont réussi à mesurer la masse collective des électrons « sans masse » en mouvement dans le graphène.
En mettant en lumière les propriétés cinétiques fondamentales des électrons dans le graphène, cette recherche peut également servir de base à la création de circuits miniaturisés avec de minuscules, composants à base de graphène.
Les résultats des mesures complexes de Ham et Yoon, réalisé en collaboration avec d'autres experts de l'Université de Columbia et de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon, ont été publiés en ligne dans Nature Nanotechnologie .
"Le graphène est un matériau unique car, effectivement, les électrons individuels de graphène agissent comme s'ils n'avaient pas de masse. Cela signifie que les électrons individuels se déplacent toujours à une vitesse constante, " explique Ham. " Mais supposons que nous appliquions une force, comme un champ électrique. La vitesse des électrons individuels reste toujours constante, mais collectivement, ils accélèrent et leur énergie totale augmente, tout comme les entités ayant une masse. C'est assez intéressant."
Sans cette masse, le domaine de la plasmonique du graphène ne peut pas fonctionner, donc l'équipe de Ham savait qu'il devait être là, mais jusqu'à présent, personne ne l'avait mesuré avec précision.
Un schéma du montage expérimental est présenté. Ham et Yoon ont mesuré le changement de phase d'un signal micro-ondes envoyé à travers le graphène. Crédit :Hosang Yoon, MER de Harvard.
"L'une des plus grandes contributions de ce travail est qu'il s'agit en fait d'une mesure extrêmement difficile, " dit Ham.
Comme le dit la deuxième loi de Newton, une force appliquée à une masse doit générer une accélération. Yoon et Ham savaient que s'ils pouvaient appliquer un champ électrique à un échantillon de graphène et mesurer l'accélération collective résultante des électrons, ils pourraient ensuite utiliser ces données pour calculer la masse collective.
Mais les échantillons de graphène utilisés dans les expériences passées étaient remplis d'imperfections et d'impuretés, des endroits où un atome de carbone manquait ou avait été remplacé par quelque chose de différent. Dans ces expériences passées, les électrons accélèrent mais se dispersent très rapidement lorsqu'ils entrent en collision avec les impuretés et les imperfections.
"Le temps de diffusion était si court dans ces études que vous ne pouviez jamais voir l'accélération directement, " dit Ham.
Pour surmonter le problème de diffusion, plusieurs changements intelligents étaient nécessaires.
D'abord, Ham et Yoon ont uni leurs forces avec Philip Kim, professeur de physique à Columbia qui rejoindra la faculté de Harvard le 1er juillet en tant que professeur de physique et de physique appliquée. Diplômé de Harvard (Ph.D. '99), Kim est bien connu pour ses études fondamentales pionnières sur le graphène et son expertise dans la fabrication d'échantillons de graphène de haute qualité. L'équipe était désormais en mesure de réduire le nombre d'impuretés et d'imperfections en prenant en sandwich le graphène entre des couches de nitrure de bore hexagonal, un matériau isolant de structure atomique similaire. En collaborant également avec James Hone, professeur de génie mécanique à Columbia, ils ont conçu un meilleur moyen de connecter les lignes de signaux électriques au graphène pris en sandwich. Et Yoon et Ham ont appliqué un champ électrique à une fréquence micro-onde, qui permet de mesurer directement l'accélération collective des électrons sous la forme d'un retard de phase dans le courant.
« En faisant tout cela, nous avons traduit la situation de complètement impossible à être sur le point de voir l'accélération ou non, " dit Ham. " Cependant, la difficulté était encore très redoutable, et Hosang [Yoon] a rendu tout cela possible en effectuant une ingénierie et des mesures micro-ondes très fines et subtiles - une formidable pièce d'expérimentation. "
"Tome, ce fut un moment victorieux qui justifia enfin un effort de longue haleine, passer par plusieurs essais et erreurs, " dit Yoon, auteur principal de l'article en Nature Nanotechnologie . "Jusque là, Je ne savais même pas si l'expérience serait vraiment possible, donc c'était comme un moment "à travers les ténèbres vient la lumière".
La masse collective est un aspect clé pour expliquer les comportements plasmoniques dans le graphène. En démontrant que les électrons du graphène présentent une masse collective et en mesurant sa valeur avec précision, Yoon dit, "Nous pensons que cela aidera les gens à comprendre et à concevoir des dispositifs plasmoniques plus sophistiqués avec du graphène."
Les expériences de l'équipe ont également révélé que, en graphène, l'inductance cinétique (la manifestation électrique de la masse collective) est de plusieurs ordres de grandeur plus grande qu'une autre, propriété beaucoup plus couramment exploitée appelée inductance magnétique. Ceci est important dans la poussée vers des circuits électroniques de plus en plus petits - le thème principal des circuits intégrés modernes - car cela signifie que le même niveau d'inductance peut être atteint dans une zone beaucoup plus petite. Par ailleurs, Ham et Yoon disent que cet inducteur cinétique miniature à base de graphène pourrait permettre la création d'un inducteur à semi-conducteurs contrôlé en tension, complémentaire au condensateur à tension contrôlée largement utilisé. Il pourrait être utilisé pour augmenter considérablement la plage d'accord de fréquence des circuits électroniques, qui est une fonction importante dans les applications de communication.
Pour l'instant, le défi reste d'améliorer la qualité des échantillons de graphène afin que les effets néfastes de la diffusion des électrons puissent être encore réduits.
