Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Manchester a révélé un nanomatériau qui reflète l'effet "d'angle magique" trouvé à l'origine dans une structure complexe artificielle connue sous le nom de graphène bicouche torsadé, un domaine d'étude clé en physique ces dernières années.

La nouvelle recherche montre que la topologie spéciale du graphite rhomboédrique fournit effectivement une « torsion » intégrée et offre donc un moyen alternatif pour étudier les effets potentiellement révolutionnaires comme la supraconductivité. "C'est une alternative intéressante aux études très populaires du graphène à angle magique", a déclaré le pionnier du graphène, le professeur Sir Andre Geim, un co-auteur de l'étude.

L'équipe, dirigé par Artem Mishchenko, Le professeur de physique de la matière condensée à l'Université de Manchester a publié ses conclusions dans la revue La nature le 12 août 2020.

"Le graphite rhomboédrique peut aider à mieux comprendre les matériaux dans lesquels de fortes corrélations électroniques sont importantes, comme les composés à fermions lourds et les supraconducteurs à haute température", dit le professeur Mishchenko.

Un précédent pas en avant dans la recherche sur les matériaux bidimensionnels était le comportement curieux selon lequel empiler une feuille de graphène l'une sur l'autre et la tordre à un «angle magique» a changé les propriétés de la bicouche, le transformer en supraconducteur.

Le professeur Mishchenko et ses collègues ont maintenant observé l'émergence de fortes interactions électron-électron dans une forme rhomboédrique de graphite faiblement stable, la forme dans laquelle les couches de graphène s'empilent légèrement différemment par rapport à la forme hexagonale stable.

Les interactions dans le graphène bicouche torsadé sont exceptionnellement sensibles à l'angle de torsion. De minuscules écarts d'environ 0,1 degré par rapport à l'angle magique exact suppriment fortement les interactions. Il est extrêmement difficile de fabriquer des appareils avec la précision requise et, surtout, trouver suffisamment uniformes pour étudier la physique passionnante impliquée. Les découvertes récemment publiées sur le graphite rhomboédrique ont maintenant ouvert une voie alternative pour fabriquer avec précision des dispositifs supraconducteurs.

Graphite, un matériau carboné constitué de couches de graphène empilées, a deux formes stables :hexagonale et rhomboédrique. Le premier est plus stable, et a donc été largement étudié, tandis que ce dernier l'est moins.

Pour mieux comprendre le nouveau résultat, il est important de se rappeler que les couches de graphène sont empilées de différentes manières dans ces deux formes de graphite. Le graphite hexagonal (la forme de carbone trouvée dans la mine de crayon) est composé de couches de graphène empilées les unes sur les autres. La forme rhomboédrique métastable a un ordre d'empilement légèrement différent, et cette légère différence conduit à un changement drastique de son spectre électronique.

Des études théoriques antérieures ont mis en évidence l'existence de toutes sortes de physique à N corps dans les états de surface du graphite rhomboédrique, y compris l'ordre magnétique à haute température et la supraconductivité. Ces prédictions n'ont pu être vérifiées, cependant, puisque les mesures de transport d'électrons sur le matériau faisaient totalement défaut jusqu'à présent.

L'équipe de Manchester étudie les films de graphite hexagonaux depuis plusieurs années et a développé des technologies avancées pour produire des échantillons de haute qualité. Une de leurs techniques consiste à encapsuler les films avec un isolant atomiquement plat, nitrure de bore hexagonal (hBN), qui sert à préserver la haute qualité électronique dans les hétérostructures résultantes hBN/graphite hexagonal/hBN. Dans leurs nouvelles expériences sur le graphite rhomboédrique, les chercheurs ont modifié leur technologie pour préserver l'ordre d'empilement fragile de cette forme de graphite moins stable.

Les chercheurs ont imagé leurs échantillons, qui contenait jusqu'à 50 couches de graphène, utilisant la spectroscopie Raman pour confirmer que l'ordre d'empilement dans le matériau est resté intact et qu'il était de haute qualité. Ils ont ensuite mesuré les propriétés de transport électronique de leurs échantillons de manière traditionnelle, en enregistrant la résistance du matériau lorsqu'ils ont modifié la température et la force d'un champ magnétique qui lui est appliqué.

Le gap énergétique peut également être ouvert dans les états de surface du graphite rhomboédrique en appliquant un champ électrique explique le professeur Mishchenko :« L'ouverture du gap d'état de surface, ce qui était prévu théoriquement, est également une confirmation indépendante de la nature rhomboédrique des échantillons, puisqu'un tel phénomène est interdit dans le graphite hexagonal."

En graphite rhomboédrique d'une épaisseur inférieure à 4 nm, une bande interdite est présente même sans application d'un champ électrique externe. Les chercheurs disent qu'ils ne sont pas encore sûrs de la nature exacte de cette ouverture spontanée de l'écart (qui se produit à la "neutralité de charge" - le point auquel les densités d'électrons et de trous sont équilibrées), mais ils sont occupés à répondre à cette question.

"De nos expériences dans le régime de Hall quantique, on voit que le gap est de nature Hall à spin quantique, mais on ne sait pas si la lacune spontanée s'ouvrant à la neutralité de charge est de même origine, " ajoute le professeur Mishchenko. " Dans notre cas, cette ouverture d'entrefer s'accompagnait d'un comportement hystérétique de la résistance du matériau en fonction des champs électriques ou magnétiques appliqués. Cette hystérésis (dans laquelle le changement de résistance est en retard par rapport aux champs appliqués) implique qu'il existe différentes phases électroniques séparées en domaines - et celles-ci sont typiques des matériaux fortement corrélés."

Une étude plus approfondie du graphite rhomboédrique pourrait faire la lumière sur l'origine des phénomènes à plusieurs corps dans des matériaux fortement corrélés tels que les composés à fermions lourds et les supraconducteurs à haute température, pour ne citer que deux exemples.