Des piliers gravés définissent les positions des points quantiques (flaques rouges) disposés en un réseau hexagonal. Lorsque l'espacement entre les points quantiques est suffisamment petit, les électrons peuvent se déplacer entre eux. Crédit :Diego Scarabelli/Columbia Engineering
Chercheurs de Columbia Engineering, experts en manipulation de la matière à l'échelle nanométrique, ont fait une percée importante dans la physique et la science des matériaux, récemment signalé dans Nature Nanotechnologie . En collaboration avec des collègues des universités de Princeton et Purdue et de l'Istituto Italiano di Tecnologia, l'équipe a conçu du « graphène artificiel » en recréant, pour la première fois, la structure électronique du graphène dans un dispositif semi-conducteur.
"Cette étape définit un nouvel état de l'art en matière de science de la matière condensée et de nanofabrication, " dit Aron Pinczuk, professeur de physique appliquée et de physique à Columbia Engineering et auteur principal de l'étude. « Alors que le graphène artificiel a été démontré dans d'autres systèmes tels que l'optique, moléculaire, et les réseaux photoniques, ces plates-formes n'ont pas la polyvalence et le potentiel offerts par les technologies de traitement des semi-conducteurs. Les dispositifs semi-conducteurs en graphène artificiel pourraient être des plates-formes pour explorer de nouveaux types de commutateurs électroniques, transistors aux propriétés supérieures, et même, peut-être, de nouvelles façons de stocker des informations basées sur des états de mécanique quantique exotiques."
La découverte du graphène au début des années 2000 a suscité une énorme excitation dans la communauté des physiciens, non seulement parce qu'il s'agissait de la première réalisation dans le monde réel d'un véritable matériau bidimensionnel, mais aussi parce que l'arrangement atomique unique des atomes de carbone dans le graphène a fourni une plate-forme pour tester de nouveaux phénomènes quantiques difficiles à observer dans les systèmes de matériaux conventionnels. Avec ses propriétés électroniques inhabituelles - ses électrons peuvent parcourir de grandes distances avant d'être dispersés - le graphène est un conducteur exceptionnel. Ces propriétés présentent également d'autres caractéristiques uniques qui font que les électrons se comportent comme s'ils étaient des particules relativistes qui se déplacent près de la vitesse de la lumière, leur conférant des propriétés exotiques « régulières, " les électrons non relativistes n'ont pas.
Mais le graphène, une substance naturelle, n'existe qu'en un seul arrangement atomique :les positions des atomes dans le réseau de graphène sont fixes, et donc toutes les expériences sur le graphène doivent s'adapter à ces contraintes. D'autre part, dans le graphène artificiel, le réseau peut être conçu sur une large gamme d'espacements et de configurations, ce qui en fait une sorte de Saint Graal pour les chercheurs sur la matière condensée, car il aura des propriétés plus polyvalentes que le matériau naturel.
"C'est un domaine de recherche en pleine expansion, et nous découvrons de nouveaux phénomènes auxquels nous n'avions pas accès auparavant, " dit Shalom Vent, membre du corps professoral du département de physique appliquée et de mathématiques appliquées et co-auteur de l'étude. « Alors que nous explorons de nouveaux concepts de dispositifs basés sur le contrôle électrique du graphène artificiel, nous pouvons libérer le potentiel d'élargir les frontières de l'optoélectronique de pointe et du traitement des données."
La couche verte représente la feuille 2-D où les électrons peuvent se déplacer. La nanolithographie et la gravure forment de petits piliers sous lesquels se trouvent les points quantiques disposés en un réseau hexagonal. Les micrographies électroniques à balayage en bas montrent le réseau hexagonal, avec une période de seulement 50 nanomètres, du haut et en biais. Crédit :Diego Scarabelli/Columbia Engineering
"Ce travail est vraiment une avancée majeure dans le graphène artificiel. Depuis la première prédiction théorique qu'un système avec des propriétés électroniques similaires au graphène peut être créé artificiellement et réglé avec un gaz d'électrons 2D à motifs, personne n'avait réussi, jusqu'aux travaux de Columbia, en observant directement ces caractéristiques dans des nanostructures semi-conductrices conçues, " dit Steven G. Louie, professeur de physique, Université de Californie, Berkeley. "Travail antérieur avec des molécules, les atomes et les structures photoniques représentent des systèmes beaucoup moins polyvalents et stables. Les structures semi-conductrices nanofabriquées ouvrent d'énormes opportunités pour explorer de nouvelles applications scientifiques et pratiques passionnantes. »
Les chercheurs ont utilisé les outils de la technologie des puces conventionnelles pour développer le graphène artificiel dans un matériau semi-conducteur standard, arséniure de gallium. Ils ont conçu une structure en couches pour que les électrons ne puissent se déplacer qu'à l'intérieur d'une couche très étroite, créer efficacement une feuille 2D. Ils ont utilisé la nanolithographie et la gravure pour modeler l'arséniure de gallium :le modelage a créé un réseau hexagonal de sites dans lesquels les électrons étaient confinés dans la direction latérale. En plaçant ces sites, qui pourraient être considérés comme des "atomes artificiels, " suffisamment proches les uns des autres (~ 50 nanomètres l'un de l'autre), ces atomes artificiels pourraient interagir de manière quantique, similaire à la façon dont les atomes partagent leurs électrons dans les solides.
L'équipe a sondé les états électroniques des réseaux artificiels en y projetant une lumière laser et en mesurant la lumière diffusée. La lumière diffusée montrait une perte d'énergie qui correspondait aux transitions de l'énergie des électrons d'un état à un autre. Lorsqu'ils ont cartographié ces transitions, l'équipe a constaté qu'ils se rapprochaient de zéro de manière linéaire autour de ce qu'on appelle le "point de Dirac" où la densité électronique s'évanouit, une caractéristique du graphène.
Ce graphène artificiel présente plusieurs avantages par rapport au graphène naturel :par exemple, les chercheurs peuvent concevoir des variations dans le réseau en nid d'abeilles pour moduler le comportement électronique. Et parce que l'espacement entre les points quantiques est beaucoup plus grand que l'espacement inter-atomique dans le graphène naturel, les chercheurs peuvent observer des phénomènes quantiques encore plus exotiques avec l'application d'un champ magnétique.
La découverte de nouveaux matériaux de faible dimension, comme le graphène et d'autres ultrafins, des films de van der Waals en couches qui présentent de nouveaux phénomènes physiques passionnants qui étaient auparavant inaccessibles, a jeté les bases de cette étude. « Ce qui était vraiment essentiel pour notre travail, ce sont les progrès impressionnants de la nanofabrication, » note Pinczuk. « Ceux-ci nous offrent une boîte à outils sans cesse croissante pour créer une myriade de motifs de haute qualité à des dimensions nanométriques. C'est une période passionnante pour être un physicien travaillant dans notre domaine."
