Le graphène va changer le monde, du moins c'est ce qu'on nous a dit.

Depuis sa découverte il y a une dizaine d'années, les scientifiques et les gourous de la technologie ont salué le graphène comme le matériau miracle qui pourrait remplacer le silicium dans l'électronique, augmenter l'efficacité des batteries, la durabilité et la conductivité des écrans tactiles et ouvrent la voie à une énergie électrique thermique bon marché, parmi beaucoup d'autres choses.

C'est un atome d'épaisseur, plus fort que l'acier, plus dur que le diamant et l'un des matériaux les plus conducteurs au monde.

Mais, plusieurs défis doivent être surmontés avant que les produits à base de graphène ne soient mis sur le marché. Les scientifiques tentent toujours de comprendre la physique de base de ce matériau unique. Aussi, c'est très difficile à faire et encore plus difficile à faire sans impuretés.

Dans un nouvel article publié dans Science , les chercheurs de Harvard et Raytheon BBN Technology ont fait progresser notre compréhension des propriétés de base du graphène, observer pour la première fois des électrons dans un métal se comportant comme un fluide.

Pour faire ce constat, l'équipe a amélioré les méthodes pour créer du graphène ultra-propre et a développé une nouvelle façon de mesurer sa conductivité thermique. Cette recherche pourrait conduire à de nouveaux dispositifs thermoélectriques et fournir un système modèle pour explorer des phénomènes exotiques tels que les trous noirs et les plasmas à haute énergie.

Cette recherche a été dirigée par Philip Kim, professeur de physique et de physique appliquée à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Une super autoroute des électrons

En ordinaire, métaux tridimensionnels, les électrons interagissent à peine les uns avec les autres. Mais le graphène est bidimensionnel, La structure en nid d'abeilles agit comme une autoroute à électrons dans laquelle toutes les particules doivent voyager dans la même voie. Les électrons du graphène agissent comme des objets relativistes sans masse, certains avec une charge positive et d'autres avec une charge négative. Ils se déplacent à une vitesse incroyable – 1/300 de la vitesse de la lumière – et devraient entrer en collision les uns avec les autres dix mille milliards de fois par seconde à température ambiante. Ces interactions intenses entre les particules de charge n'ont jamais été observées dans un métal ordinaire auparavant.

L'équipe a créé un échantillon ultra-propre en prenant en sandwich la feuille de graphène d'un atome d'épaisseur entre des dizaines de couches d'un cristal transparent parfaitement isolant électriquement avec une structure atomique similaire de graphène.

"Si vous avez un matériau d'un atome d'épaisseur, il va être vraiment affecté par son environnement, " a déclaré Jesse Crossno, un étudiant diplômé du Kim Lab et premier auteur de l'article. "Si le graphène est au-dessus de quelque chose de rugueux et désordonné, cela va interférer avec la façon dont les électrons se déplacent. Il est vraiment important de créer du graphène sans interférence de son environnement."

La technique a été développée par Kim et ses collaborateurs à l'Université de Columbia avant qu'il ne déménage à Harvard en 2014 et est maintenant perfectionnée dans son laboratoire à SEAS.

Prochain, l'équipe a mis en place une sorte de soupe thermique de particules chargées positivement et négativement à la surface du graphène, et observé comment ces particules circulaient sous forme de courants thermiques et électriques.

Ce qu'ils ont observé allait à l'encontre de tout ce qu'ils savaient sur les métaux.

Un trou noir sur une puce

La majeure partie de notre monde – la façon dont l'eau s'écoule (hydrodynamique) ou la façon dont une boule courbe se courbe – est décrite par la physique classique. De très petites choses, comme les électrons, sont décrits par la mécanique quantique alors que des choses très grandes et très rapides, comme les galaxies, sont décrits par la physique relativiste, lancé par Albert Einstein.

La combinaison de ces lois de la physique est notoirement difficile, mais il existe des exemples extrêmes où elles se chevauchent. Les systèmes à haute énergie comme les supernovas et les trous noirs peuvent être décrits en reliant les théories classiques de l'hydrodynamique aux théories de la relativité d'Einstein.

Mais il est difficile de mener une expérience sur un trou noir. Entrez le graphène.

Lorsque les particules fortement interagissant dans le graphène ont été entraînées par un champ électrique, ils se comportaient non pas comme des particules individuelles mais comme un fluide qui pourrait être décrit par l'hydrodynamique.

"Au lieu de regarder comment une seule particule a été affectée par une force électrique ou thermique, nous pouvions voir l'énergie conservée alors qu'elle traversait de nombreuses particules, comme une vague dans l'eau, " dit Crossno.

"La physique que nous avons découverte en étudiant les trous noirs et la théorie des cordes, nous voyons dans le graphène, " dit André Lucas, co-auteur et étudiant diplômé avec Subir Sachdev, le professeur Herchel Smith de physique à Harvard. "C'est le premier système modèle d'hydrodynamique relativiste dans un métal."

Avancer, une petite puce de graphène pourrait être utilisée pour modéliser le comportement de type fluide d'autres systèmes à haute énergie.

Implications industrielles

Nous savons donc maintenant que les électrons en interaction forte dans le graphène se comportent comme un liquide. Comment cela fait-il avancer les applications industrielles du graphène ?

D'abord, afin d'observer le système hydrodynamique, l'équipe avait besoin de développer un moyen précis de mesurer dans quelle mesure les électrons du système transportent la chaleur. C'est très difficile à faire, a déclaré le co-PI Dr Kin Chung Fong, scientifique avec Raytheon BBN Technology.

Les matériaux conduisent la chaleur de deux manières :par des vibrations dans la structure ou le réseau atomique; et porté par les électrons eux-mêmes.

"Nous devions trouver un moyen intelligent d'ignorer le transfert de chaleur du réseau et de nous concentrer uniquement sur la quantité de chaleur transportée par les électrons, " dit Fong.

Faire cela, l'équipe s'est tournée vers le bruit. A température finie, les électrons se déplacent aléatoirement :plus la température est élevée, plus les électrons sont bruyants. En mesurant la température des électrons à trois décimales, l'équipe a pu mesurer avec précision la conductivité thermique des électrons.

"Convertir l'énergie thermique en courants électriques et vice versa est notoirement difficile avec des matériaux ordinaires, " dit Lucas. " Mais en principe, avec un échantillon propre de graphène, il n'y a peut-être pas de limite à la qualité d'un appareil que vous pouvez fabriquer."