Aaron Sharpe tient un dispositif de graphène bicouche torsadé fini fabriqué dans la salle blanche des installations partagées de Stanford Nano. Crédit :Ker Than
Parfois, les meilleures découvertes se produisent lorsque les scientifiques s'y attendent le moins. En essayant de reproduire la découverte d'une autre équipe, Les physiciens de Stanford sont récemment tombés sur une nouvelle forme de magnétisme, prédit mais jamais vu auparavant, qui est généré lorsque deux treillis de carbone en forme de nid d'abeilles sont soigneusement empilés et tournés selon un angle spécial.
Les auteurs suggèrent le magnétisme, appelé ferromagnétisme orbital, pourrait s'avérer utile pour certaines applications, comme l'informatique quantique. Le groupe décrit leur découverte dans le numéro du 25 juillet de la revue Science .
"Nous ne visions pas le magnétisme. Nous avons trouvé ce qui est peut-être la chose la plus excitante de ma carrière à ce jour grâce à une exploration partiellement ciblée et partiellement accidentelle, " a déclaré le responsable de l'étude David Goldhaber-Gordon, professeur de physique à la School of Humanities and Sciences de Stanford. "Notre découverte montre que les choses les plus intéressantes s'avèrent parfois être des surprises."
Les chercheurs de Stanford ont fait par inadvertance leur découverte en essayant de reproduire une découverte qui envoyait des ondes de choc dans la communauté des physiciens. Début 2018, Le groupe de Pablo Jarillo-Herrero au MIT a annoncé qu'ils avaient cajolé un empilement de deux feuilles d'atomes de carbone légèrement désalignées - du graphène bicouche torsadé - pour conduire l'électricité sans résistance, une propriété connue sous le nom de supraconductivité.
La découverte était une confirmation étonnante d'une prédiction vieille de près de dix ans selon laquelle les feuilles de graphène tournées selon un angle très particulier devraient présenter des phénomènes intéressants.
Lorsqu'ils sont empilés et tordus, le graphène forme un super-réseau avec une interférence répétée, ou moiré, modèle. "C'est comme lorsque vous jouez deux tonalités musicales qui sont des fréquences légèrement différentes, " a déclaré Goldhaber-Gordon. "Vous obtiendrez un battement entre les deux qui est lié à la différence entre leurs fréquences. C'est similaire à ce que vous obtenez si vous empilez deux treillis l'un sur l'autre et les tordez afin qu'ils ne soient pas parfaitement alignés."
Les physiciens ont théorisé que le super-réseau particulier formé lorsque le graphène a tourné à 1,1 degrés provoque l'effondrement des états d'énergie normalement variés des électrons dans le matériau, créant ce qu'ils appellent une bande plate où la vitesse à laquelle les électrons se déplacent tombe à près de zéro. Ainsi ralenti, les mouvements de n'importe quel électron deviennent fortement dépendants de ceux des autres dans son voisinage. Ces interactions sont au cœur de nombreux états quantiques exotiques de la matière.
"Je pensais que la découverte de la supraconductivité dans ce système était incroyable. C'était plus que quiconque était en droit d'attendre, " a déclaré Goldhaber-Gordon. " Mais j'ai aussi senti qu'il y avait beaucoup plus à explorer et beaucoup plus de questions auxquelles répondre, nous avons donc tenté de reproduire l'œuvre et de voir ensuite comment nous pouvions nous en inspirer. »
Micrographie optique de la structure empilée assemblée, qui se compose de deux feuilles de graphène prises en sandwich entre deux couches protectrices en nitrure de bore hexagonal. Crédit :Aaron Sharpe
Une série d'événements heureux
En essayant de dupliquer les résultats de l'équipe du MIT, Goldhaber-Gordon et son groupe ont introduit deux changements apparemment sans importance.
D'abord, tout en encapsulant les réseaux de carbone en nid d'abeille dans de fines couches de nitrure de bore hexagonal, les chercheurs ont fait pivoter par inadvertance l'une des couches protectrices pour l'aligner presque avec le graphène bicouche torsadé.
"Il s'avère que si vous alignez presque le réseau de nitrure de bore avec le réseau du graphène, vous modifiez radicalement les propriétés électriques du graphène bicouche torsadé, " a déclaré le co-premier auteur de l'étude Aaron Sharpe, un étudiant diplômé du laboratoire de Goldhaber-Gordon.
Deuxièmement, le groupe a intentionnellement dépassé l'angle de rotation entre les deux feuilles de graphène. Au lieu de 1,1 degrés, ils visaient 1,17 degrés parce que d'autres avaient récemment montré que les feuilles de graphène torsadées avaient tendance à s'installer dans des angles plus petits pendant le processus de fabrication.
"Nous avons pensé que si nous visions 1,17 degrés, puis il remontera vers 1,1 degrés, et nous serons heureux, " dit Goldhaber-Gordon. " Au lieu de cela, nous avons 1,2 degrés. "
Un signal anormal
Les conséquences de ces petits changements ne sont devenues apparentes que lorsque les chercheurs de Stanford ont commencé à tester les propriétés de leur échantillon de graphène tordu. En particulier, ils voulaient étudier comment ses propriétés magnétiques changeaient lorsque sa bande plate - cette collection d'états où les électrons ralentissent presque à zéro - était remplie ou vidée d'électrons.
De gauche à droite, Aaron Sharpe, David Goldhaber-Gordon et Eli Fox utilisent leur étage de transfert maison pour assembler des hétérostructures de graphène. Crédit :Ker Than
En pompant des électrons dans un échantillon qui avait été refroidi près du zéro absolu, Sharpe a détecté une grande tension électrique perpendiculaire au passage du courant lorsque la bande plate était aux trois quarts pleine. Connue sous le nom de tension de Hall, une telle tension n'apparaît généralement qu'en présence d'un champ magnétique externe, mais dans ce cas, la tension persistait même après la coupure du champ magnétique externe.
Cet effet Hall anormal ne pouvait être expliqué que si l'échantillon de graphène générait son propre champ magnétique interne. Par ailleurs, ce champ magnétique ne pourrait pas être le résultat de l'alignement de l'état de spin haut ou bas des électrons, comme c'est typiquement le cas pour les matériaux magnétiques, mais au lieu de cela doit avoir surgi de leurs mouvements orbitaux coordonnés.
"A notre connaissance, c'est le premier exemple connu de ferromagnétisme orbital dans un matériau, " dit Goldhaber-Gordon. " Si le magnétisme était dû à la polarisation du spin, vous ne vous attendriez pas à voir un effet Hall. Nous voyons non seulement un effet Hall, mais un énorme effet Hall."
La force dans la faiblesse
Les chercheurs estiment que le champ magnétique près de la surface de leur échantillon de graphène tordu est environ un million de fois plus faible que celui d'un aimant de réfrigérateur conventionnel, mais cette faiblesse pourrait être une force dans certains scénarios, comme la construction de mémoire pour les ordinateurs quantiques.
"Notre graphène magnétique bicouche peut être allumé avec une très faible puissance et peut être lu électroniquement très facilement, " a déclaré Goldhaber-Gordon. " Le fait qu'il n'y ait pas un grand champ magnétique s'étendant vers l'extérieur du matériau signifie que vous pouvez emballer les bits magnétiques très près les uns des autres sans vous soucier des interférences. "
Le laboratoire de Goldhaber-Gordon n'a pas encore fini d'explorer le graphène bicouche torsadé. Le groupe prévoit de fabriquer plus d'échantillons en utilisant des techniques de fabrication récemment améliorées afin d'approfondir l'étude du magnétisme orbital.
