Une équipe de chercheurs des Universités de Manchester, Nottingham et Loughborough ont découvert un phénomène quantique qui aide à comprendre les limites fondamentales de l'électronique du graphène.

Publié dans Communication Nature , le travail décrit comment les électrons d'une seule feuille de graphène atomiquement mince se dispersent sur les atomes de carbone vibrants qui composent le réseau cristallin hexagonal.

En appliquant un champ magnétique perpendiculaire au plan du graphène, les électrons porteurs de courant sont forcés de se déplacer sur des orbites circulaires fermées "cyclotron". En graphène pur, le seul moyen par lequel un électron peut s'échapper de cette orbite est de rebondir sur un "phonon" lors d'un événement de diffusion. Ces phonons sont des faisceaux d'énergie et de quantité de mouvement semblables à des particules et sont les "quanta" des ondes sonores associées à l'atome de carbone en vibration. Les phonons sont générés en nombre croissant lorsque le cristal de graphène est réchauffé à des températures très basses.

En faisant passer un petit courant électrique à travers la feuille de graphène, l'équipe a pu mesurer avec précision la quantité d'énergie et de quantité de mouvement transférée entre un électron et un phonon lors d'un événement de diffusion.

Leur expérience a révélé que deux types de phonons diffusent les électrons :les phonons acoustiques transversaux (TA) dans lesquels les atomes de carbone vibrent perpendiculairement à la direction de propagation des phonons et du mouvement des ondes (quelque peu analogue aux ondes de surface sur l'eau) et les phonons acoustiques longitudinaux (LA) dans lequel les atomes de carbone vibrent d'avant en arrière dans la direction du phonon et du mouvement ondulatoire ; (ce mouvement est quelque peu analogue au mouvement des ondes sonores dans l'air).

Les mesures fournissent une mesure très précise de la vitesse des deux types de phonons, une mesure qui est par ailleurs difficile à faire pour le cas d'une seule couche atomique. Un résultat important des expériences est la découverte que la diffusion des phonons TA domine sur la diffusion des phonons LA.

Le phénomène observé, communément appelée oscillation magnétophonon, a été mesurée dans de nombreux semi-conducteurs des années avant la découverte du graphène. C'est l'un des plus anciens phénomènes de transport quantique connu depuis plus de 50 ans, antérieur à l'effet Hall quantique. Alors que le graphène possède un certain nombre de romans, propriétés électroniques exotiques, ce phénomène assez fondamental est resté caché.

Laurence Eaves &Roshan Krishna Kumar, Les co-auteurs de l'ouvrage ont déclaré :« Nous avons été agréablement surpris de trouver des oscillations de magnétophonons aussi importantes apparaissant dans le graphène. Nous avons également été perplexes pourquoi les gens ne les avaient pas vues auparavant, compte tenu de la quantité considérable de littérature sur le transport quantique dans le graphène. »

Leur apparence nécessite deux ingrédients clés. D'abord, l'équipe a dû fabriquer des transistors en graphène de haute qualité avec de grandes surfaces au National Graphene Institute. Si les dimensions de l'appareil sont inférieures à quelques micromètres, les phénomènes ne pourraient pas être observés.

Piranavan Kumaravadivel de l'Université de Manchester, L'auteur principal de l'article a déclaré :« Au début des expériences de transport quantique, les gens avaient l'habitude d'étudier macroscopique, cristaux de taille millimétrique. Dans la plupart des travaux sur le transport quantique sur le graphène, les dispositifs étudiés ne mesurent généralement que quelques micromètres. Il semble que la fabrication de dispositifs au graphène plus grands ne soit pas seulement importante pour les applications, mais aussi pour les études fondamentales."

Le deuxième ingrédient est la température. La plupart des expériences de transport quantique du graphène sont réalisées à des températures ultra-froides afin de ralentir les atomes de carbone en vibration et de « geler » les phonons qui rompent généralement la cohérence quantique. Par conséquent, le graphène est réchauffé car les phonons doivent être actifs pour provoquer l'effet.

Mark Greenaway, de l'Université de Loughborough, qui a travaillé sur la théorie quantique de cet effet, mentionné, "Ce résultat est extrêmement excitant - il ouvre une nouvelle voie pour sonder les propriétés des phonons dans les cristaux bidimensionnels et leurs hétérostructures. Cela nous permettra de mieux comprendre les interactions électron-phonon dans ces matériaux prometteurs, compréhension qui est vitale pour les développer pour une utilisation dans de nouveaux appareils et applications."