Depuis la découverte du graphène il y a plus de 15 ans, les chercheurs se sont lancés dans une course mondiale pour débloquer ses propriétés uniques. Non seulement le graphène - une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur disposée en un réseau hexagonal - le plus fort, matériau le plus fin connu de l'homme, c'est aussi un excellent conducteur de chaleur et d'électricité.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université Columbia et de l'Université de Washington a découvert qu'une variété d'états électroniques exotiques, y compris une forme rare de magnétisme, peut apparaître dans une structure de graphène à trois couches.

Les résultats apparaissent dans un article publié le 12 octobre dans Physique de la nature .

Le travail a été inspiré par des études récentes de monocouches torsadées ou bicouches torsadées de graphène, comprenant deux ou quatre feuilles au total. Ces matériaux se sont avérés héberger un ensemble d'états électroniques inhabituels entraînés par de fortes interactions entre les électrons.

« Nous nous sommes demandé ce qui se passerait si nous combinions des monocouches et des bicouches de graphène dans un système à trois couches torsadées, " dit Cory Dean, professeur de physique à l'Université Columbia et l'un des auteurs principaux de l'article. "Nous avons découvert que la variation du nombre de couches de graphène confère à ces matériaux composites de nouvelles propriétés intéressantes qui n'avaient jamais été vues auparavant."

En plus de Dean, Professeur adjoint Matthew Yankowitz et professeur Xiaodong Xu, à la fois dans les départements de physique et de science et ingénierie des matériaux à l'Université de Washington, sont des auteurs principaux sur le travail. Shaowen Chen, étudiant diplômé de Columbia, et Minhao He, étudiant diplômé de l'Université de Washington, sont les coauteurs principaux de l'article.

Pour mener leur expérience, les chercheurs ont empilé une feuille monocouche de graphène sur une feuille bicouche et les ont tordus d'environ 1 degré. À des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, l'équipe a observé un ensemble d'états isolants, qui ne conduisent pas l'électricité, entraînés par de fortes interactions entre les électrons. Ils ont également découvert que ces états pouvaient être contrôlés en appliquant un champ électrique à travers les feuilles de graphène.

"Nous avons appris que la direction d'un champ électrique appliqué compte beaucoup, " dit Yankowitz, qui est également un ancien chercheur postdoctoral dans le groupe de Dean.

Lorsque les chercheurs ont pointé le champ électrique vers la feuille de graphène monocouche, le système ressemblait à du graphène bicouche torsadé. Mais quand ils ont inversé la direction du champ électrique et l'ont pointé vers la feuille de graphène bicouche, il imitait le graphène à double bicouche torsadé, la structure à quatre couches.

L'équipe a également découvert de nouveaux états magnétiques dans le système. Contrairement aux aimants conventionnels, qui sont entraînés par une propriété de mécanique quantique des électrons appelée "spin, " un mouvement tourbillonnant collectif des électrons dans la structure à trois couches de l'équipe sous-tend le magnétisme, ils ont observé.

Cette forme de magnétisme a été découverte récemment par d'autres chercheurs dans diverses structures de graphène reposant sur des cristaux de nitrure de bore. L'équipe a maintenant démontré qu'il peut également être observé dans un système plus simple construit entièrement avec du graphène.

"Le carbone pur n'est pas magnétique, " dit Yankowitz. " Remarquablement, nous pouvons concevoir cette propriété en disposant nos trois feuilles de graphène aux bons angles de torsion."

En plus du magnétisme, l'étude a révélé des signes de topologie dans la structure. Semblable à lier différents types de nœuds dans une corde, les propriétés topologiques du matériau peuvent conduire à de nouvelles formes de stockage d'informations, qui "peut être une plate-forme pour le calcul quantique ou de nouveaux types d'applications de stockage de données économes en énergie, " dit Xu.

Pour l'instant, ils travaillent sur des expériences pour mieux comprendre les propriétés fondamentales des nouveaux états qu'ils ont découverts dans cette plate-forme. "Ce n'est vraiment que le début, " a déclaré Yankowitz.