Des chercheurs de l'Université de Manchester au Royaume-Uni, dirigé par le Dr Artem Mishchenko, Pr Volodia Fal'ko et Pr Andre Geim, ont découvert l'effet Hall quantique dans le graphite massif, un cristal en couches composé de couches de graphène empilées. C'est un résultat inattendu car l'effet Hall quantique n'est possible que dans les systèmes dits bidimensionnels (2-D) où le mouvement des électrons est limité à un plan et doit être interdit dans la direction perpendiculaire. Ils ont également découvert que le matériau se comporte différemment selon qu'il contient un nombre pair ou impair de couches de graphène, même lorsque le nombre de couches dans le cristal dépasse des centaines. Le travail est une étape importante vers la compréhension des propriétés fondamentales du graphite, qui ont souvent été mal compris, surtout ces dernières années.

Dans leur travail, Publié dans Physique de la nature , Mishchenko et ses collègues ont étudié des dispositifs fabriqués à partir de cristaux de graphite clivés, qui ne contiennent essentiellement aucun défaut. Les chercheurs ont également préservé la haute qualité du matériau en l'encapsulant dans un autre matériau en couches de haute qualité, le nitrure de bore hexagonal. Ils ont façonné leurs appareils dans une géométrie de barre Hall, ce qui leur a permis de mesurer le transport des électrons dans le graphite mince.

"Les mesures étaient assez simples." explique le Dr Jun Yin, le premier auteur de l'article. "Nous avons passé un petit courant le long du bar Hall, appliqué un champ magnétique puissant perpendiculairement au plan de la barre Hall, puis mesuré les tensions générées le long et à travers le dispositif pour extraire la résistivité longitudinale et la résistance Hall.

Réduction dimensionnelle

Fal'ko, qui a dirigé la partie théorique, a déclaré :« Nous avons été assez surpris lorsque nous avons vu l'effet Hall quantique (QHE) - une séquence de plateaux quantifiés dans la résistance de Hall - accompagné d'une résistivité longitudinale nulle dans nos échantillons. Ceux-ci sont suffisamment épais pour se comporter comme un semi-métal normal en vrac dans lequel le QHE devrait être interdit."

Les chercheurs disent que le QHE vient du fait que le champ magnétique appliqué force les électrons du graphite à se déplacer dans une dimension réduite, avec une conductivité autorisée uniquement dans la direction parallèle au champ. Dans des échantillons suffisamment minces, cependant, ce mouvement unidimensionnel peut être quantifié grâce à la formation d'ondes d'électrons stationnaires. Le matériau passe ainsi d'un système d'électrons 3-D à un système 2-D avec des niveaux d'énergie discrets.

Le nombre pair/impair de couches de graphène est important

Une autre grande surprise est que ce QHE est très sensible au nombre pair/impair de couches de graphène. Les électrons du graphite sont similaires à ceux du graphène et se présentent sous deux « saveurs » (appelées vallées). Les ondes stationnaires formées à partir d'électrons de deux saveurs différentes reposent sur des couches paires ou impaires de graphite. Dans les films à nombre pair de couches, le nombre de couches paires et impaires est le même, ainsi les énergies des ondes stationnaires de différentes saveurs coïncident.

La situation est différente dans les films avec des nombres impairs de couches, cependant, parce que le nombre de couches paires et impaires est différent, C'est, il y a toujours une couche supplémentaire impaire. Il en résulte que les niveaux d'énergie des ondes stationnaires de différentes saveurs se déplacent les uns par rapport aux autres et signifie que ces échantillons ont des écarts énergétiques QHE réduits. Le phénomène persiste même pour du graphite sur des centaines de couches d'épaisseur.

Observations du QHE fractionnaire

Les découvertes inattendues ne se sont pas arrêtées là :les chercheurs disent avoir également observé le QHE fractionné dans le graphite mince en dessous de 0,5 K. Le FQHE est différent du QHE normal et résulte de fortes interactions entre les électrons. Ces interactions, ce qui peut souvent conduire à des phénomènes collectifs importants comme la supraconductivité, magnétisme et superfluidité, faire en sorte que les porteurs de charge dans un matériau FQHE se comportent comme des quasi-particules dont la charge est une fraction de celle d'un électron.

"La plupart des résultats que nous avons observés peuvent être expliqués à l'aide d'un modèle simple à électron unique mais voir le FQHE nous dit que l'image n'est pas si simple, " dit Mishchenko. " Il y a beaucoup d'interactions électron-électron dans nos échantillons de graphite à des champs magnétiques élevés et à basse température, ce qui montre que la physique à N corps est importante dans ce matériau."

Revenons au graphite

Le graphène est à l'honneur ces 15 dernières années, et avec raison, et le graphite a été un peu repoussé par sa progéniture d'une seule couche d'épaisseur, Mishchenko ajoute. « Nous sommes maintenant revenus à cet ancien matériau. Les connaissances acquises grâce à la recherche sur le graphène, des techniques expérimentales améliorées (telles que la technologie d'assemblage van der Waals) et une meilleure compréhension théorique (encore une fois de la physique du graphène), nous a déjà permis de découvrir ce nouveau type de QHE dans les dispositifs en graphite que nous avons fabriqués.

"Notre travail est un nouveau tremplin vers d'autres études sur ce matériau, y compris la physique à plusieurs corps, comme les ondes de densité, condensation excitonique ou cristallisation de Wigner."

Le graphite étudié ici présente un empilement naturel (Bernal), mais il existe un autre allotrope stable du graphite, le rhomboédrique. Il n'y a pas de mesures de transport signalées sur ce matériau à ce jour, seulement beaucoup de prédictions théoriques, y compris la supraconductivité à haute température et le ferromagnétisme. Les chercheurs de Manchester disent qu'ils envisagent donc désormais d'explorer également cet allotrope.

« Pendant des décennies, le graphite a été utilisé par les chercheurs comme une sorte de « pierre philosophale » capable de produire tous les phénomènes probables et improbables, y compris la supraconductivité à température ambiante, " Geim ajoute avec un sourire. " Notre travail montre ce qui est, en principe, possible dans ce matériau, du moins quand il est dans sa forme la plus pure."