Image de microscopie électronique à balayage (MEB) de la nanoconstriction du graphène :le matériau de graphène est affiché en rouge, 4 électrodes métalliques sont également visibles. Crédit :B. Terrés, L.A. Chizhova, F. Libisch, J. Peiro, D. Jörger, S. Engels, A. Girschik, K. Watanabe, T. Taniguchi, S.V. Rotkin, J. Burgdörfer, C. Stampfer
La mécanique quantique est le domaine de la physique régissant le comportement des choses à l'échelle atomique, où les choses fonctionnent très différemment de notre monde quotidien.
L'une des manifestations les plus directes de la mécanique quantique est la quantification. La quantification conduit au caractère discret des propriétés physiques à petite échelle, qui pourrait être le rayon d'une orbite atomique ou la résistance d'un fil moléculaire. Le plus connu, qui a valu à Albert Einstein le prix Nobel, est la quantification de l'énergie photonique dans l'effet photoélectrique - l'observation que de nombreux métaux émettent des électrons lorsque la lumière les éclaire.
La quantification se produit lorsqu'une particule quantique est confinée dans un petit espace. Sa fonction d'onde développe un modèle d'onde stationnaire, comme des vagues dans une petite flaque d'eau. Les physiciens parlent alors de quantification de la taille :l'énergie de la particule ne peut prendre que les valeurs où le motif nodal de l'onde stationnaire correspond à la limite du système.
Une conséquence frappante de la quantification de la taille est la conductance quantifiée :le nombre de particules qui peuvent traverser simultanément un couloir étroit, une soi-disant nanoconstriction, devenir discret. En conséquence, le courant traversant une telle constriction est un multiple entier du quantum de conductance.
Cône de Dirac montrant une relation de dispersion typique (énergie contre quantité de mouvement) pour le matériau graphène 2-D. Les lignes transversales rouges représentent la quantification de l'énergie (et de la quantité de mouvement) due à une constriction de taille finie. Crédit :B. Terrés, L.A. Chizhova, F. Libisch, J. Peiro, D. Jörger, S. Engels, A. Girschik, K. Watanabe, T. Taniguchi, S.V. Rotkin, J. Burgdörfer, C. Stampfer
Dans un récent travail expérimental et théorique conjoint, un groupe international de physiciens a démontré la quantification de la taille des porteurs de charge, c'est-à-dire la conductance quantifiée dans des échantillons nanométriques de graphène. Les résultats ont été publiés dans un article intitulé "Size quantization of Dirac fermions in graphene constrictions" dans Communication Nature .
Le graphène matériel de haute qualité, une seule couche atomique de carbone, noyé dans du nitrure de bore hexagonal démontre une physique inhabituelle en raison de la symétrie hexagonale - ou en nid d'abeille - de son réseau. Cependant, l'observation de la quantification de la taille des porteurs de charge dans les nanoconstrictions de graphène a, jusqu'à maintenant, s'est avéré insaisissable en raison de la grande sensibilité de l'onde électronique au désordre.
Les chercheurs ont mis en évidence des effets de quantification à très basse température (Hélium liquide), où l'influence du désordre thermique cesse. Cette nouvelle approche, consistant à encapsuler les constrictions de graphène entre les couches de nitrure de bore, a permis d'obtenir des échantillons exceptionnellement propres, et donc des mesures très précises.
Ce graphique montre la conductance électrique, G, d'électrons (noir) et de trous (rouge) dans la nanoconstriction du graphène (montré sur l'image SEM), en fonction du vecteur d'onde électron/trou (impulsion) montrant les étapes caractéristiques (quantification de la conductance) comme indiqué par les flèches. Crédit :B. Terrés, L.A. Chizhova, F. Libisch, J. Peiro, D. Jörger, S. Engels, A. Girschik, K. Watanabe, T. Taniguchi, S.V. Rotkin, J. Burgdörfer, C. Stampfer
A champ magnétique nul, le courant mesuré montre des signatures claires de quantification de taille, suivant de près les prédictions théoriques. Pour augmenter le champ magnétique, ces structures évoluent progressivement vers les niveaux de Landau de l'effet Hall quantique.
"La haute sensibilité de cette transition à la diffusion aux bords de constriction révèle des détails indispensables sur le rôle de la diffusion par les bords dans les futurs dispositifs nanoélectroniques au graphène, " a déclaré Slava V. Rotkin, professeur de physique et de science et ingénierie des matériaux à l'Université Lehigh et co-auteur de l'étude.
Onde électronique traversant une étroite constriction. Crédit :TU Vienne
