Illustration d'un motif moiré qui émerge lors de l'empilement et de la rotation de deux feuilles de graphène bicouche. Des états électroniques corrélés avec un ordre magnétique émergent dans le graphène à double couche torsadée sur une petite plage d'angles de torsion, et peut être réglé avec un déclenchement et un champ électrique. Crédit :Matthew Yankowitz
Les scientifiques peuvent avoir des objectifs ambitieux :guérir la maladie, explorer des mondes lointains, révolutions de l'énergie propre. Dans la recherche en physique et matériaux, certains de ces objectifs ambitieux sont de fabriquer des objets au son ordinaire avec des propriétés extraordinaires :des fils qui peuvent transporter de l'énergie sans aucune perte d'énergie, ou des ordinateurs quantiques capables d'effectuer des calculs complexes que les ordinateurs d'aujourd'hui ne peuvent pas réaliser. Et les bancs de travail émergents pour les expériences qui nous rapprochent progressivement de ces objectifs sont des matériaux 2D, des feuilles de matériau qui sont une seule couche d'atomes d'épaisseur.
Dans un article publié le 14 septembre dans la revue Physique de la nature , une équipe dirigée par l'Université de Washington rapporte que des empilements soigneusement construits de graphène - une forme 2-D de carbone - peuvent présenter des propriétés électroniques hautement corrélées. L'équipe a également trouvé des preuves que ce type de comportement collectif est probablement lié à l'émergence d'états magnétiques exotiques.
« Nous avons créé une configuration expérimentale qui nous permet de manipuler les électrons dans les couches de graphène de plusieurs nouvelles manières passionnantes, " a déclaré le co-auteur principal Matthew Yankowitz, professeur adjoint de physique et de science et ingénierie des matériaux à l'UW, ainsi qu'un chercheur du corps professoral au Clean Energy Institute de l'UW.
Yankowitz a dirigé l'équipe avec le co-auteur principal Xiaodong Xu, un professeur UW de physique et de science et ingénierie des matériaux. Xu est également chercheur universitaire à l'UW Molecular Engineering and Sciences Institute, l'UW Institute for Nano-Engineered Systems et l'UW Clean Energy Institute.
Étant donné que les matériaux 2-D sont une couche d'atomes d'épaisseur, les liaisons entre atomes ne se forment qu'en deux dimensions et les particules comme les électrons ne peuvent se déplacer que comme les pièces d'un jeu de société :côte à côte, d'avant en arrière ou en diagonale, mais ni haut ni bas. Ces restrictions peuvent conférer aux matériaux 2D des propriétés qui manquent à leurs homologues 3D, et les scientifiques ont sondé des feuilles 2D de différents matériaux pour caractériser et comprendre ces qualités potentiellement utiles.
Image de microscopie optique d'un dispositif de graphène bicouche torsadé. Crédit :Matthew Yankowitz
Mais au cours de la dernière décennie, des scientifiques comme Yankowitz ont également commencé à superposer des matériaux 2D - comme une pile de crêpes - et ont découvert que, s'ils sont empilés et tournés dans une configuration particulière et exposés à des températures extrêmement basses, ces couches peuvent présenter des propriétés exotiques et inattendues.
L'équipe UW a travaillé avec des éléments constitutifs de graphène bicouche :deux feuilles de graphène naturellement superposées. Ils ont empilé une bicouche l'une sur l'autre - pour un total de quatre couches de graphène - et les ont tordues de sorte que la disposition des atomes de carbone entre les deux bicouches soit légèrement désalignée. Des recherches antérieures ont montré que l'introduction de ces petits angles de torsion entre des couches simples ou des bicouches de graphène peut avoir de grandes conséquences sur le comportement de leurs électrons. Avec des configurations spécifiques du champ électrique et de la distribution de charge à travers les bicouches empilées, les électrons présentent des comportements fortement corrélés. En d'autres termes, ils commencent tous à faire la même chose - ou à afficher les mêmes propriétés - en même temps.
« Dans ces cas, cela n'a plus de sens de décrire ce que fait un électron individuel, mais que font tous les électrons à la fois, " a déclaré Yankowitz.
"C'est comme avoir une pièce pleine de gens dans laquelle un changement dans le comportement d'une personne fera réagir tout le monde de la même manière, " a déclaré l'auteur principal Minhao He, un doctorant de l'UW en physique et un ancien boursier du Clean Energy Institute.
La mécanique quantique sous-tend ces propriétés corrélées, et puisque les bicouches de graphène empilées ont une densité de plus de 10^12, ou mille milliards, électrons par centimètre carré, beaucoup d'électrons se comportent collectivement.
L'équipe a cherché à percer certains des mystères des états corrélés dans leur configuration expérimentale. À des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, l'équipe a découvert qu'elle pouvait « régler » le système dans un type d'état isolant corrélé, où il ne conduirait aucune charge électrique. Près de ces états isolants, l'équipe a trouvé des poches d'états hautement conducteurs avec des caractéristiques ressemblant à la supraconductivité.
Bien que d'autres équipes aient récemment signalé ces états, les origines de ces caractéristiques sont restées un mystère. Mais le travail de l'équipe UW a trouvé des preuves d'une explication possible. Ils ont découvert que ces états semblaient être entraînés par une propriété de mécanique quantique des électrons appelée "spin", un type de moment angulaire. Dans les régions proches des états isolants corrélés, ils ont trouvé des preuves que tous les spins des électrons s'alignent spontanément. Cela peut indiquer que, à proximité des régions présentant des états isolants corrélés, une forme de ferromagnétisme est en train d'émerger, pas de supraconductivité. Mais des expériences supplémentaires devraient le vérifier.
Ces découvertes sont le dernier exemple des nombreuses surprises qui sont en réserve lors de la réalisation d'expériences avec des matériaux 2D.
"Une grande partie de ce que nous faisons dans cette ligne de recherche est d'essayer de créer, comprendre et maîtriser les états électroniques émergents, qui peut être corrélée ou topologique, ou posséder les deux propriétés, " a déclaré Xu. " Il pourrait y avoir beaucoup de choses que nous pouvons faire avec ces états sur la route - une forme d'informatique quantique, un nouveau dispositif de récupération d'énergie, ou de nouveaux types de capteurs, par exemple, et franchement, nous ne le saurons pas tant que nous n'aurons pas essayé. »
En attendant, attendez-vous à des piles, bicouches et angles de torsion pour continuer à faire des vagues.
