Depuis la découverte du graphène en 2004, les scientifiques ont cherché des moyens de mettre ce talentueux, matériau 2D atomiquement mince pour travailler. Plus fin qu'un simple brin d'ADN mais 200 fois plus résistant que l'acier, le graphène est un excellent conducteur d'électricité et de chaleur, et il peut se conformer à n'importe quel nombre de formes, à partir d'une feuille 2D ultrafine, à un circuit électronique.

L'année dernière, une équipe de chercheurs dirigée par Feng Wang, chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley, développé un dispositif de graphène multitâche qui passe d'un supraconducteur qui conduit efficacement l'électricité, à un isolant qui résiste au passage du courant électrique, et de nouveau à un supraconducteur.

Maintenant, comme rapporté aujourd'hui dans le journal La nature , les chercheurs ont exploité le talent de leur système de graphène pour jongler non seulement avec deux propriétés, mais trois :supraconducteur, isolant, et un type de magnétisme appelé ferromagnétisme. Le dispositif multitâche pourrait permettre de nouvelles expériences de physique, comme la recherche dans la poursuite d'un circuit électrique pour plus rapide, l'électronique de nouvelle génération comme les technologies d'informatique quantique.

"Jusque là, matériaux montrant simultanément supraconducteurs, isolant, et les propriétés magnétiques ont été très rares. Et la plupart des gens pensaient qu'il serait difficile d'induire du magnétisme dans le graphène, car il n'est généralement pas magnétique. Notre système de graphène est le premier à combiner les trois propriétés dans un seul échantillon, " a déclaré Guorui Chen, chercheur postdoctoral dans le groupe Wang's Ultrafast Nano-Optics à l'UC Berkeley, et l'auteur principal de l'étude.

Utiliser l'électricité pour activer le potentiel caché du graphène

Le graphène a beaucoup de potentiel dans le monde de l'électronique. Sa structure atomiquement mince, combiné à sa robuste conductivité électronique et thermique, « pourrait offrir un avantage unique dans le développement de dispositifs électroniques et de stockage de mémoire de nouvelle génération, " dit Chen, qui a également travaillé en tant que chercheur postdoctoral dans la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab au moment de l'étude.

Le problème est que les matériaux magnétiques utilisés en électronique aujourd'hui sont constitués de métaux ferromagnétiques, tels que les alliages de fer ou de cobalt. Matériaux ferromagnétiques, comme la barre aimantée commune, ont un pôle nord et un pôle sud. Lorsque des matériaux ferromagnétiques sont utilisés pour stocker des données sur le disque dur d'un ordinateur, ces pôles pointent vers le haut ou vers le bas, représentant des zéros et des uns, appelés bits.

Graphène, cependant, n'est pas fait d'un métal magnétique, il est fait de carbone.

Les scientifiques ont donc trouvé une solution de contournement créative.

Ils ont conçu un appareil ultrafin, seulement 1 nanomètre d'épaisseur, comportant trois couches de graphène atomiquement mince. Lorsqu'il est pris en sandwich entre des couches 2D de nitrure de bore, les couches de graphène, décrites comme du graphène tricouche dans l'étude, forment un motif répétitif appelé superréseau moiré.

En appliquant des tensions électriques à travers les grilles du dispositif de graphène, la force des électrons poussés par l'électricité dans l'appareil à tourner dans la même direction, comme de petites voitures qui courent autour d'une piste. Cela a généré un élan puissant qui a transformé le dispositif au graphène en un système ferromagnétique.

D'autres mesures ont révélé un nouvel ensemble étonnant de propriétés :l'intérieur du système de graphène était non seulement devenu magnétique mais aussi isolant; et malgré le magnétisme, ses bords extérieurs se sont transformés en canaux de courant électronique qui se déplacent sans résistance. De telles propriétés caractérisent une classe rare d'isolateurs connus sous le nom d'isolateurs de Chern, les chercheurs ont dit.

Plus surprenant encore, les calculs du co-auteur Ya-Hui Zhang du Massachusetts Institute of Technology ont révélé que le dispositif au graphène n'en a pas qu'un, mais deux bords conducteurs, ce qui en fait le premier "isolateur de Chern d'ordre élevé observé, " une conséquence des fortes interactions électron-électron dans le graphène tricouche.

Les scientifiques ont été à la poursuite des isolateurs de Chern dans un domaine de recherche connu sous le nom de topologie, qui étudie les états exotiques de la matière. Les isolateurs de Chern offrent de nouvelles façons potentielles de manipuler l'information dans un ordinateur quantique, où les données sont stockées en bits quantiques, ou qubits. Un qubit peut représenter un un, un zéro, ou un état dans lequel il est à la fois un et un zéro en même temps.

"Notre découverte démontre que le graphène est une plateforme idéale pour étudier différentes physiques, allant de la physique des particules simples, à la supraconductivité, et maintenant la physique topologique pour étudier les phases quantiques de la matière dans les matériaux 2D, " a déclaré Chen. " C'est excitant que nous puissions maintenant explorer une nouvelle physique dans un minuscule appareil d'à peine 1 millionième de millimètre d'épaisseur. "

Les chercheurs espèrent mener plus d'expériences avec leur dispositif au graphène pour mieux comprendre comment l'isolant/aimant de Chern a émergé, et la mécanique derrière ses propriétés inhabituelles.