Un peu plus d'un an après que des chercheurs du MIT ont stupéfié le monde de la physique avec la découverte de "l'angle magique" pour les feuilles de graphène empilées, les chercheurs de Caltech ont directement observé et étudié ce matériau à l'aide d'un microscope à effet tunnel qui peut imager les propriétés électroniques à l'échelle de la longueur atomique.

Comprendre "l'angle magique" - une orientation spécifique entre le graphène empilé qui donne des propriétés électriques spéciales - pourrait ouvrir la voie à la réalisation du rêve des supraconducteurs à température ambiante, qui pourrait transmettre d'énormes courants électriques tout en produisant zéro chaleur.

Mais d'abord :quel est l'angle magique ? Supposons que vous preniez deux feuilles de graphène - des réseaux d'atomes de carbone épais à un seul atome - et que vous les superposiez l'une sur l'autre pour créer un matériau bicouche, puis tordez l'une des feuilles de graphène pour décaler leur orientation l'une par rapport à l'autre. Au fur et à mesure que l'orientation change, les propriétés électroniques du matériau bicouche changeront avec lui. Début 2018, des chercheurs du MIT ont découvert que, à une certaine orientation (environ 1,1 degrés de torsion relative), le matériau bicouche, étonnamment, devient supraconducteur et de plus, les propriétés supraconductrices peuvent être contrôlées avec les champs électriques. Leur découverte a lancé un nouveau domaine de recherche sur le graphène orienté angle magique, connu sous le nom de "twistronics".

Les ingénieurs et les physiciens de Caltech se sont appuyés sur cette découverte en générant une image de la structure atomique et des propriétés électroniques du graphène magique à torsion angulaire, donnant un nouvel éclairage sur le phénomène en offrant un moyen plus direct de l'étudier. Un article sur leur travail a été publié dans la revue Physique de la nature le 5 août.

"Cela retire le voile sur twistronics, " dit Stevan Nadj-Perge de Caltech, auteur correspondant de l'article et professeur adjoint de physique appliquée et de science des matériaux à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées.

La recherche sur l'angle magique nécessite un niveau de précision extrême pour aligner les deux feuilles de graphène au bon angle. Les anciennes techniques pour le faire nécessitaient d'enrober le graphène dans un matériau isolant, ce qui a eu le fâcheux effet secondaire d'empêcher l'étude directe de l'échantillon. Au lieu, les chercheurs ont dû utiliser des méthodes indirectes pour sonder l'échantillon de graphène, par exemple, en mesurant la façon dont les électrons le traversent. Nadj-Perge et ses collègues ont développé une nouvelle méthode de création d'échantillons de graphène à angle magique qui peut être utilisé pour aligner très précisément les deux feuilles de graphène tout en le laissant exposé pour une observation directe.

En utilisant cette technique, les chercheurs pourraient en apprendre davantage sur les propriétés électroniques du matériau à l'angle magique et étudier comment ces propriétés changent lorsque l'angle de torsion s'éloigne de la valeur magique. Leurs travaux ont fourni plusieurs informations clés qui guideront la modélisation théorique et les expériences futures, y compris l'observation que la corrélation électronique joue un rôle important près du point de neutralité de charge - l'angle auquel la bicouche est électroniquement neutre.

"Précédemment, on pensait que les effets de corrélation ne jouaient pas un rôle majeur dans la neutralité des charges, " dit Nadj-Perge. " Plus près, un examen plus détaillé d'échantillons comme celui-ci pourrait nous aider à expliquer pourquoi les effets électroniques exotiques près de l'angle magique existent. Une fois que nous savons cela, nous pourrions aider à ouvrir la voie à des applications utiles de celui-ci, peut-être même conduire un jour à la supraconductivité à température ambiante."

L'article s'intitule "Corrélations électroniques dans le graphène bicouche torsadé près de l'angle magique".