Au cours des sept dernières années, Javier Sanchez-Yamagishi a construit plusieurs centaines de systèmes de graphène empilé à l'échelle nanométrique pour étudier leurs propriétés électroniques. "Ce qui m'intéresse beaucoup, c'est que les propriétés de ce système combiné dépendent sensiblement de l'alignement relatif entre eux, " il dit.

Sanchez-Yamagishi, qui a obtenu son doctorat en janvier, est maintenant post-doctorant dans le groupe du professeur agrégé Pablo Jarillo-Herrero. Il assemble des sandwichs de graphène et de nitrure de bore avec diverses orientations horizontales. "Les astuces que nous utilisions étaient de fabriquer des appareils plus propres, en les refroidissant à basse température et en leur appliquant des champs magnétiques très importants, " dit Sanchez-Yamagishi, qui a effectué des mesures au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, Floride. Le laboratoire dispose du plus grand aimant continu au monde, 45 teslas, qui est d'environ 10, 000 fois la force d'un aimant de réfrigérateur.

Sanchez-Yamagishi a été co-auteur principal d'un article de 2014 dans La nature cela a montré qu'avoir une composante du champ magnétique appliqué dans le plan du graphène forçait les électrons au bord du graphène à se déplacer dans des directions opposées en fonction de leurs spins. Les co-auteurs principaux étaient le postdoctorant Benjamin M. Hunt et le boursier Pappalardo Andrea Young, tous deux du groupe du professeur de physique du MIT Raymond C. Ashoori. Le document était l'aboutissement de deux années de travail, dit Sanchez-Yamagishi.

"Nous essayions de réaliser des états quantiques intéressants dans le graphène. C'est ce qu'on appelle un état Hall de spin quantique, " explique Sanchez-Yamagishi. Cela aurait des applications en informatique quantique, un domaine d'intérêt pour le groupe car Jarillo-Herrero est chercheur au Center for Integrated Quantum Materials, financé par la National Science Foundation.

Sanchez-Yamagishi a également été co-auteur d'un article scientifique de 2013 dans lequel Jarillo-Herrero, Achoori, et les collaborateurs ont démontré qu'un certain alignement de graphène en couches et de nitrure de bore hexagonal créait une bande interdite unique dans le graphène, ce qui pourrait être un précurseur pour développer le matériau des transistors fonctionnels. Les co-auteurs de Sanchez-Yamagishi comprenaient à nouveau Young, aujourd'hui professeur assistant à l'Université de Californie à Santa Barbara, et Chasse, qui rejoindra le corps professoral du département de physique de Carnegie Mellon cet automne.

Le papillon de Hofstadter

Les couches de graphène et de nitrure de bore ont chacune des atomes disposés en hexagone, ou à six faces, modèle. Lorsque la disposition en réseau des couches de graphène et de nitrure de bore hexagonal est étroitement alignée, et les échantillons sont exposés à un champ magnétique hors plan important, ils présentent des niveaux d'énergie électronique appelés "papillon de Hofstadter, " parce que lorsqu'ils sont tracés sur un graphique, cela ressemble à un papillon. Ce qui excite les physiciens, c'est que ce papillon est l'un des rares exemples de motif fractal en physique quantique. " Ce sont des physiques qui n'entrent en jeu que parce que les électrons sont très petits et nous les faisons très froids. Donc la physique quantique joue un rôle et c'est très différent, étonnamment différent, ", dit Sanchez-Yamagishi.

"En plus du résultat papillon Hofstadter, les mêmes appareils ont également été les premiers à montrer une bande interdite dans le graphène. Jarillo-Herrero dit, "Ce qui était très inattendu, c'est que nous avons montré que le graphène, qui se conduit généralement très bien, dans les conditions de cette expérience avec un très faible angle de rotation entre le graphène et le HBN, est devenu un isolant. Cela n'a pas du tout fonctionné. C'était un comportement inattendu et [il] l'est toujours. Les théoriciens tentent toujours de comprendre pourquoi. Au niveau quantitatif, ce n'est pas encore compris. Donc c'est compris qualitativement, mais pas quantitativement."

Heureuse découverte

Le comportement électronique particulier du graphène vient de sa structure moléculaire, qui ressemble à un réseau d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles ou de grillage. Lorsque ces structures en nid d'abeilles sont empilées les unes sur les autres, s'ils ne sont pas alignés, ils créent un motif dit moiré, qui varie avec la rotation des couches les unes par rapport aux autres. "Ce qui s'est passé, c'est que par accident, nous avons eu ces échantillons qui affichaient cette physique de Hofstadter. Ce n'était donc pas notre intention initiale, " explique Sanchez-Yamagishi. " Pour voir la physique de Hofstadter, le graphène doit être très étroitement aligné sur le nitrure de bore hexagonal. Quand il est étroitement aligné, vous avez un très grand super-réseau, et puis la physique est fortement affectée, et c'est pourquoi nous avons pu observer cette physique de Hofstadter, " dit-il. Pour le dire autrement, il dit, "Quand ils sont mal alignés, le moiré est très petit, et quand le moiré est petit, il a très peu d'effet sur la physique de l'électron. Mais quand ils sont alignés, plus ils sont alignés, plus le moiré est important et plus l'effet sur les électrons est fort, et donc fondamentalement, pour voir ce type de physique de Hofstadter, vous avez besoin d'un grand moiré."

Bien que cette structure en nid d'abeille existe en graphite, une forme familière de carbone en vrac, ses propriétés spéciales ne se manifestent que lorsque des couches de graphène d'une épaisseur d'un à quelques atomes seulement sont séparées du graphite. "Le graphène conduit mieux l'électricité que le graphite. Il conduit mieux que l'argent ou l'or, ", dit Sanchez-Yamagishi.

Sanchez-Yamagishi a construit une machine en laboratoire qui empile des couches extrêmement minces de graphène et de matériaux similaires. Lorsque deux couches de graphène sont mal alignées, ils sont appelés graphène bicouche torsadé. « En graphite, normalement toutes les couches sont alignées les unes avec les autres; les électrons sont ralentis, " explique-t-il. Il s'avère que si deux couches de graphène sont empilées en alignement, les électrons voyageant à l'intérieur d'une couche sont ralentis de la même manière. Mais avec le graphène, si les couches empilées les unes sur les autres sont mal alignées, ils agissent comme si une couche ne sentait pas vraiment l'autre couche. "Vous pouvez le mettre l'un sur l'autre, ils restent en effet découplés les uns des autres, et il peut toujours conduire l'électricité fondamentalement aussi bien que s'il s'agissait encore d'une seule feuille de graphène, " dit-il. " S'ils sont mal alignés, alors l'électron dans une couche n'est pas affecté par les autres couches et se déplace rapidement."

Alors que la torsion, ou rotation hors alignement, peut améliorer le flux d'électrons à travers les couches individuelles, il a l'effet inverse sur les électrons se déplaçant entre les couches. "Même s'ils sont l'un sur l'autre, atomes à part, si tu les tords, alors les électrons ne peuvent pas réellement passer d'une couche à l'autre par eux-mêmes. Ils ont besoin de l'aide d'autres éléments du système. Ainsi, vous pouvez les mettre les uns sur les autres, ils ne sont en fait pas connectés électriquement. C'est lié à ce motif moiré. C'est à cause de la torsion entre les deux couches qui les découple ainsi, ", dit Sanchez-Yamagishi.

Courbe d'apprentissage

L'un des premiers étudiants diplômés à rejoindre le groupe de Jarillo-Herrero en 2008, Sanchez-Yamagishi, 28, dit qu'il a passé des mois à fabriquer du graphène de bonne qualité à maintenant des dispositifs de graphène très complexes et à les combiner ensuite avec d'autres matériaux. Les contacts en or envoient du courant à travers le graphène pour mesurer ses propriétés électriques. Souvent, Les formes de graphène utilisées dans les appareils de test sont de forme irrégulière, car c'est ainsi qu'elles se détachent du graphite naturel. Le graphite est frotté sur une feuille de silicium et enlevé avec un ruban spécial pour créer de fines couches de graphène. Maximiser la quantité de graphène qui peut être utilisée pour un appareil est prioritaire sur le rendre beau, dit Sanchez-Yamagishi. "Nous essayons de pousser la technologie au plus haut niveau, nous nous appuyons donc en quelque sorte sur la fin de la distribution ici. Nous voulons obtenir cette queue, ceux qui sont anormalement performants, parce que nous voulons démontrer la physique, " dit-il. " En fin de compte, nous éliminons ceux qui ne sont pas de haute qualité, et nous gardons ceux qui sont les meilleurs."

Les études sont menées à basse température, environ 4 kelvins, même si certains sont encore plus froids, mesurée en millikelvins. "Un gros objectif de notre laboratoire est simplement d'étudier l'électricité sous la forme de la façon dont les électrons se déplacent et pour ce faire, nous voulons d'abord la refroidir à de basses températures où tout ce que nous voyons, c'est comment l'électron se comporte principalement par lui-même, et alors nous pouvons aussi nous soucier de rendre les choses plus compliquées, " explique Sanchez-Yamagishi. Il est également le mentor des étudiants diplômés actuels Yuan Cao et Jason Luo.

En septembre, Sanchez-Yamagishi entamera une bourse postdoctorale de deux ans au Harvard University Quantum Optics Center, où il travaillera sur les centres de vacance d'azote dans le diamant sous la direction du chercheur principal Mikhail Lukin. "Ma formation est l'électronique dans le graphène, donc l'idée est de combiner des électrons dans le graphène avec des photons dans les diamants, " dit-il. Il espère éventuellement devenir professeur de physique.

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.