Composé d'une seule couche d'atomes de carbone liés dans un motif en nid d'abeille hexagonal, La structure du graphène est simple et apparemment délicate. Depuis sa découverte en 2004, les scientifiques ont découvert que le graphène est en fait exceptionnellement fort. Et bien que le graphène ne soit pas un métal, il conduit l'électricité à des vitesses ultra-élevées, mieux que la plupart des métaux.

En 2018, Des scientifiques du MIT dirigés par Pablo Jarillo-Herrero et Yuan Cao ont découvert que lorsque deux feuilles de graphène sont empilées ensemble à un angle « magique » légèrement décalé, la nouvelle structure de graphène "torsadée" peut devenir soit un isolant, bloquant complètement le passage de l'électricité à travers le matériau, ou paradoxalement, un supraconducteur, capable de laisser passer les électrons sans résistance. C'était une découverte monumentale qui a permis de lancer un nouveau domaine connu sous le nom de "twistronics, " l'étude du comportement électronique dans le graphène torsadé et d'autres matériaux.

Maintenant, l'équipe du MIT rapporte ses dernières avancées en matière de twistronique du graphène, dans deux articles publiés cette semaine dans la revue La nature .

Dans la première étude, les chercheurs, avec des collaborateurs du Weizmann Institute of Science, ont imagé et cartographié une structure entière de graphène torsadé pour la première fois, à une résolution suffisamment fine pour qu'ils soient capables de voir de très légères variations de l'angle de torsion local sur l'ensemble de la structure.

Les résultats ont révélé des régions au sein de la structure où l'angle entre les couches de graphène s'est légèrement éloigné du décalage moyen de 1,1 degré.

L'équipe a détecté ces variations à une résolution angulaire ultra-élevée de 0,002 degré. Cela équivaut à pouvoir voir l'angle d'une pomme par rapport à l'horizon à un kilomètre de distance.

Ils ont constaté que les structures avec une gamme plus étroite de variations d'angle avaient des propriétés exotiques plus prononcées, comme l'isolation et la supraconductivité, par rapport aux structures avec une plus large gamme d'angles de torsion.

"C'est la première fois qu'un appareil entier est cartographié pour voir quel est l'angle de torsion dans une région donnée de l'appareil, " dit Jarillo-Herrero, le professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT. "Et nous voyons que vous pouvez avoir un peu de variation et toujours montrer la supraconductivité et d'autres physiques exotiques, mais ça ne peut pas être trop. Nous avons maintenant caractérisé combien de variation de torsion vous pouvez avoir, et quel est l'effet de dégradation d'en avoir trop."

Dans la deuxième étude, l'équipe rapporte la création d'une nouvelle structure de graphène torsadée sans deux, mais quatre couches de graphène. Ils ont observé que la nouvelle structure à angle magique à quatre couches est plus sensible à certains champs électriques et magnétiques que son prédécesseur à deux couches. Cela suggère que les chercheurs pourraient être en mesure d'étudier plus facilement et de manière plus contrôlable les propriétés exotiques du graphène à angle magique dans des systèmes à quatre couches.

"Ces deux études visent à mieux comprendre le comportement physique déroutant des dispositifs twistroniques à angle magique, " dit Cao, un étudiant diplômé au MIT. « Une fois compris, les physiciens pensent que ces dispositifs pourraient aider à concevoir et à fabriquer une nouvelle génération de supraconducteurs à haute température, dispositifs topologiques pour le traitement de l'information quantique, et les technologies à faible consommation d'énergie.

Comme des plis dans une pellicule plastique

Depuis que Jarillo-Herrero et son groupe ont découvert pour la première fois le graphène à angle magique, d'autres ont sauté sur l'occasion pour observer et mesurer ses propriétés. Plusieurs groupes ont imagé des structures à angle magique, en utilisant la microscopie à effet tunnel, ou STM, une technique qui balaye une surface au niveau atomique. Cependant, les chercheurs n'ont pu scanner que de petites parcelles de graphène à angle magique, couvrant au plus quelques centaines de nanomètres carrés, en utilisant cette approche.

« Passer en revue toute une structure à l'échelle du micron pour examiner des millions d'atomes est quelque chose pour lequel la STM n'est pas la mieux adaptée, " dit Jarillo-Herrero. " En principe, cela pourrait être fait, mais cela prendrait énormément de temps."

Le groupe a donc consulté des chercheurs du Weizmann Institute for Science, qui avaient développé une technique de balayage qu'ils appellent "scanning nano-SQUID, " où SQUID signifie Supraconducting Quantum Interference Device. Les SQUID conventionnels ressemblent à un petit anneau coupé en deux, the two halves of which are made of superconducting material and joined together by two junctions. Fit around the tip of a device similar to an STM, a SQUID can measure a sample's magnetic field flowing through the ring at a microscopic scale. The Weizmann Institute researchers scaled down the SQUID design to sense magnetic fields at the nanoscale.

When magic-angle graphene is placed in a small magnetic field, it generates persistent currents across the structure, due to the formation of what are known as "Landau levels." These Landau levels, and hence the persistent currents, are very sensitive to the local twist angle, par exemple, resulting in a magnetic field with a different magnitude, depending on the precise value of the local twist angle. In this way, the nano-SQUID technique can detect regions with tiny offsets from 1.1 degrees.

"It turned out to be an amazing technique that can pick up miniscule angle variations of 0.002 degrees away from 1.1 degrees, " Jarillo-Herrero says. "This was very good for mapping magic-angle graphene."

The group used the technique to map two magic-angle structures:one with a narrow range of twist variations, and another with a broader range.

"We placed one sheet of graphene on top of another, similar to placing plastic wrap on top of plastic wrap, " Jarillo-Herrero says. "You would expect there would be wrinkles, and regions where the two sheets would be a bit twisted, some less twisted, just as we see in graphene."

They found that the structure with a narrower range of twist variations had more pronounced properties of exotic physics, comme la supraconductivité, compared with the structure with more twist variations.

"Now that we can directly see these local twist variations, it might be interesting to study how to engineer variations in twist angles to achieve different quantum phases in a device, " dit Cao.

Tunable physics

Over the past two years, researchers have experimented with different configurations of graphene and other materials to see whether twisting them at certain angles would bring out exotic physical behavior. Jarillo-Herrero's group wondered whether the fascinating physics of magic-angle graphene would hold up if they expanded the structure, to offset not two, but four graphene layers.

Since graphene's discovery nearly 15 years ago, a huge amount of information has been revealed about its properties, not just as a single sheet, but also stacked and aligned in multiple layers—a configuration that is similar to what you find in graphite, or pencil lead.

"Bilayer graphene—two layers at a 0-degree angle from each-other—is a system whose properties we understand well, " Jarillo-Herrero says. "Theoretical calculations have shown that in a bilayer-on-top-of-bilayer structure, the range of angles over which interesting physics would happen is larger. So this type of structure might be more forgiving in terms of making devices."

Partly inspired by this theoretical possibility, the researchers fabricated a new magic-angle structure, offsetting one graphene bilayer with another bilayer by 1.1 degrees. They then connected the new "double-layer" twisted structure to a battery, applied a voltage, and measured the current that flowed through the device as they placed the structure under various conditions, such as a magnetic field, and a perpendicular electric field.

Just like magic-angle structures made from two layers of graphene, the new four-layered structure showed an exotic insulating behavior. But uniquely, the researchers were able to tune this insulating property up and down with an electric field—something that's not possible with two-layered magic-angle graphene.

"This system is highly tunable, meaning we have a lot of control, which will allow us to study things we cannot understand with monolayer magic-angle graphene, " dit Cao.

"It's still very early in the field, " Jarillo-Herrero says. "For the moment, the physics community is still fascinated just by the phenomena of it. People fantasize about what type of devices we could make but realize it's still too early and we have so much yet to learn about these systems."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation et enseignement.