Cristaux de Wigner proposés pour le graphène bicouche à angle magique. Dans la figure A, le critère d'observation de cette structure réticulaire n'est pas satisfait expérimentalement, résultant en un transport métallique lorsqu'un seul électron occupe une cellule moirée. Les figures B et C montrent l'état isolant, expliquant l'observation expérimentale lorsque 2 ou 3 électrons sont dans une cellule moirée. Crédit :Philip Phillips, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Récemment, une équipe de scientifiques dirigée par Pablo Jarillo-Herrero au Massachusetts Institute of Technology (MIT) a créé un énorme émoi dans le domaine de la physique de la matière condensée lorsqu'ils ont montré que deux feuilles de graphène se tordaient à des angles spécifiques - surnommés "angle magique" graphène - afficher deux phases émergentes de la matière non observées dans des feuilles simples de graphène. Le graphène est un réseau en nid d'abeilles d'atomes de carbone - c'est essentiellement une couche de graphite d'une épaisseur d'un atome, l'obscurité, matériel floconneux dans des crayons.
Dans deux articles publiés en ligne en mars 2018 et parus dans le 5 avril, Numéro 2018 de la revue La nature , l'équipe a signalé que le graphène bicouche torsadé (tBLG) présente une phase supraconductrice non conventionnelle, semblable à ce qui est observé dans les cuprates supraconducteurs à haute température. Cette phase est obtenue en dopant (injectant des électrons dans) un état isolant, que le groupe MIT a interprété comme un exemple d'isolation Mott. Une équipe conjointe de scientifiques de l'UCSB et de l'Université de Columbia a reproduit les résultats remarquables du MIT. La découverte est prometteuse pour le développement éventuel de supraconducteurs à température ambiante et d'une foule d'autres applications tout aussi révolutionnaires.
Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont récemment montré que le comportement isolant rapporté par l'équipe du MIT avait été mal attribué. Professeur Philip Phillips, un expert reconnu de la physique des isolants Mott, dit qu'un examen minutieux des données expérimentales du MIT par son équipe a révélé que le comportement isolant du graphène "à angle magique" n'est pas l'isolation de Mott, mais quelque chose d'encore plus profond :un cristal de Wigner.
"Les gens recherchent des exemples clairs de cristaux de Wigner depuis que Wigner les a prédits pour la première fois dans les années 1930, " affirme Phillips. " Je pense que c'est encore plus excitant que s'il s'agissait d'un isolateur Mott. "
Université de l'Illinois à Urbana-Champaign Le professeur de physique Philip Phillips (à droite) et l'étudiant diplômé Bikash Padhi posent à l'Institut de physique de la matière condensée sur le campus d'Urbana. Crédit :Siv Schwink, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Auteur principal de l'étude U of I, étudiant diplômé Bikash Padhi, explique, "Quand une feuille de graphène est tordue l'une sur l'autre, des motifs moirés émergent en raison du décalage dans la structure en nid d'abeille. En injectant artificiellement des électrons dans ces feuilles, le groupe MIT a obtenu de nouvelles phases de matière qui peuvent être comprises en étudiant ces électrons supplémentaires sur le lit de ce motif moiré. En augmentant la densité électronique, le groupe MIT a observé un état isolant lorsque 2 et 3 électrons résident dans une cellule unitaire moirée. Ils ont soutenu que ce comportement est un exemple de la physique de Mott. »
Pourquoi ça ne peut pas être la physique de Mott ?
Phillips explique, "Les isolants de Mott sont une classe de matériaux qui devraient être conducteurs si les interactions électroniques ne sont pas prises en compte, mais une fois que c'est pris en compte, sont isolants à la place. Il y a deux raisons principales pour lesquelles nous soupçonnons que le tBLG ne forme pas un isolant de Mott :la transition métal-isolant observée n'offre qu'une seule échelle d'énergie caractéristique, alors que les isolateurs Mott conventionnels sont décrits par deux échelles. Prochain, dans le rapport du MIT, contrairement à ce que l'on attend d'un système Mott, il n'y avait pas d'isolant quand il n'y avait qu'un électron par cellule unitaire. C'est fondamentalement incompatible avec Mottness."
La figure ci-jointe affiche les états cristallins qui expliquent ces données.
Zorbe, rouler et rebondir dans une boule transparente gonflée, est devenu populaire dans le monde entier. Bikash Pahdi, un étudiant diplômé de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign en physique théorique de la matière condensée, compare la cristallisation de Wigner au gonflement des zorbes en champ fermé, où les passagers du zorb sont des électrons et le zorb lui-même est la mesure de la répulsion de chaque électron envers les autres électrons. Crédit :Nom d'utilisateur :Rodw/Wikimedia Commons/Domaine public
Qu'est-ce qu'un cristal Wigner ?
Pour comprendre les cristaux Wigner, Padhi propose cette analogie :« Imaginez un groupe de personnes chacune à l'intérieur d'un grand orbe et courant dans une pièce fermée. Si cet orbe est petit, ils peuvent se déplacer librement mais à mesure qu'il grandit, il peut entrer en collision plus un point où ils sont tous bloqués à leur position puisque tout petit mouvement sera immédiatement empêché par la personne suivante. C'est essentiellement ce qu'est un cristal. Les gens ici sont des électrons, et l'orbe est une mesure de leur répulsion."
Phillips attribue à Padhi le mérite d'avoir donné l'impulsion à l'étude.
Ces résultats ont été prépubliés en ligne dans la revue Lettres nano dans l'article, "Graphène bicouche torsadé dopé près des angles magiques :proximité de la cristallisation de Wigner et non de l'isolation Mott, " le 5 septembre, 2018, avec la rédaction officielle finale qui sera incluse dans le numéro d'octobre 2018 de la revue.
Cette recherche a été financée par le Center for Emergent Superconductivity, un centre de recherche Energy Frontier Research Center financé par le ministère de l'Énergie, et par la National Science Foundation. Les conclusions présentées sont celles des chercheurs et pas nécessairement celles des bailleurs de fonds.
