Des recherches menées par des scientifiques attachés au Graphene Flagship de la CE ont révélé une phase superfluide dans des matériaux 2D à ultra-basse température, créant le potentiel d'appareils électroniques qui dissipent très peu d'énergie.

Aux échelles atomique et moléculaire, le monde peut être un endroit très étrange, avec des notions quotidiennes de température, l'énergie et la cohérence physique jetés dans le désarroi. Avec la réalité au niveau quantique, nous devons parler de vraisemblance statistique et de probabilité plutôt que de simple cause et effet de boule de billard.

Prenez le concept de superfluidité, un état ultra-froid dans lequel la matière agit comme un fluide de viscosité nulle. Vous pouvez considérer la superfluidité comme un analogue thermodynamique généralisé de la supraconductivité électrique plus communément comprise, où les électrons se déplacent à travers les matériaux sans résistance ni perte d'énergie.

La superfluidité a d'abord été découverte dans l'hélium liquide, à des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, mais le phénomène est évident à des échelles allant de l'atomique au cosmique. Il est lié à l'état de la matière connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, dans lequel une grande partie des particules dans la matière en vrac occupent l'état d'énergie quantique le plus bas. Les particules, qui à des températures plus élevées se déplacent de manière aléatoire, mode au hasard, peut ainsi se comporter comme un tout cohérent ou du moins quasi-cohérent, amenant ainsi les effets de la mécanique quantique dans la visibilité macroscopique.

Physique fascinante si quelque peu ésotérique soit-elle, mais il y a un côté pratique à la superfluidité et à la condensation de Bose-Einstein. D'une part, cela a des implications sur le comportement des appareils électroniques, bien que spécialisés fonctionnant à des températures ultra-basses. À cette fin, un groupe de chercheurs associés au projet européen Graphene Flagship a étudié les propriétés des électrons se déplaçant dans des structures bidimensionnelles formées de graphène et d'arséniure de gallium.

Le graphène est du carbone cristallin disposé en transparent, couches simples d'épaisseur atomique, avec les atomes de carbone fixés dans un réseau en nid d'abeille. Le plus connu des centaines de matériaux bidimensionnels découverts à ce jour, le graphène a un certain nombre de propriétés électriques uniques, propriétés mécaniques et autres qui lui confèrent un potentiel énorme pour des applications allant de l'électronique aux structures ultra-résistantes.

En se concentrant sur les mesures de la traînée de Coulomb – le couplage frictionnel entre les courants électriques dans des conducteurs spatialement séparés – des chercheurs du Graphene Flagship, dirigé par Marco Polini de l'Institut des nanosciences du Conseil national de la recherche et de la Scuola Normale Superiore de Pise, Italie, Vittorio Pellegrini, au Graphene Labs de l'Institut italien de technologie de Gênes, et Andrea Ferrari du Cambridge Graphene Centre, ont constaté que la résistance à la traînée augmente considérablement à des températures inférieures à environ 5 Kelvin (-268,15 Celsius). C'est un résultat inattendu, s'écartant comme il le fait de la dépendance à la température habituelle affichée dans les liquides de Fermi faiblement corrélés :un modèle théorique qui décrit le comportement de la plupart des matériaux électriquement conducteurs à des températures ultra-basses.

Dans un article publié récemment dans la revue Communication Nature , dont le premier auteur est Andrea Gamucci, les chercheurs rapportent sur une nouvelle classe de structures électroniques composées dans lesquelles du graphène monocouche ou bicouche est placé à proximité immédiate d'un puits quantique fabriqué à partir d'arséniure de gallium.

Un puits quantique, formé d'un semi-conducteur avec des valeurs d'énergie discrètes, confine le mouvement des particules chargées à un plan bidimensionnel. La combinaison du graphène avec un puits quantique donne une hétérostructure formée de deux matériaux bidimensionnels différents, et un tel assemblage composé peut être utilisé pour étudier l'interaction des électrons et des trous d'électrons. Un trou se forme lorsqu'un électron est excité dans un état d'énergie plus élevée, laissant dans son sillage une quasi-particule qui se comporte comme s'il s'agissait d'un électron "manquant", ou un électron avec une charge positive plutôt que négative. Notez que les trous d'électrons ne sont pas la même chose que les anti-particules physiquement réelles connues sous le nom de positons.

Dans le cas des hétérostructures graphène-GaAs rapportées dans le Communication Nature papier, les mesures de traînée coulombienne sont cohérentes avec de fortes interactions entre les couches de matériau, avec la force électrostatique attractive entre les électrons et les trous dans les dispositifs à semi-conducteurs qui devrait entraîner une superfluidité et une condensation de Bose-Einstein. En d'autres termes, la forte interaction entre les couches matérielles conduit à des effets quantiques qui se manifestent dans de grands ensembles d'électrons et de trous confinés dans des dispositifs de taille micrométrique.

"Nous montrons que de tels effets peuvent se produire lorsque les électrons sont confinés dans un mince puits fait d'arséniure de gallium, avec des trous confinés dans du graphène monocouche ou bicouche, " dit Polini. " Les électrons et les trous séparés par quelques dizaines de nanomètres s'attirent par l'une des forces les plus puissantes de la nature - la force électrique. A des températures suffisamment basses, nos expériences révèlent l'émergence possible d'une phase superfluide, dans lequel des courants opposés circulent dans les deux systèmes bidimensionnels séparés. » Pellegrini poursuit :« De tels courants circulent avec une dissipation minimale, et peut rendre possible un certain nombre de dispositifs électroniques cohérents qui dissipent peu d'énergie. » Ferrari ajoute :« C'est un autre exemple de résultats de pointe rendus possibles par l'assemblage déterministe de graphène et d'autres structures bidimensionnelles, qui est précisément l'objectif global du Graphene Flagship."

La superfluidité et la condensation de Bose-Einstein sont des phénomènes à ultra-basse température, les effets décrits ici dans les hétérostructures graphène-arséniure de gallium ne s'appliqueront donc pas aux appareils électroniques de tous les jours. Toujours, il existe de nombreuses applications qui nécessitent l'utilisation d'électronique à refroidissement cryogénique, et ceux-ci pourraient exploiter une traînée coulombienne anormale à basse température dans des matériaux bidimensionnels en vrac.

Des exemples de telles applications incluent l'informatique haute performance et quantique, spectroscopie, détection magnétique et infrarouge, et la conversion analogique-numérique. La découverte des chercheurs phares du graphène décrite ici pourrait profiter à ces domaines technologiques et plus encore.