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 du graphène à double couche torsadée sur une petite plage d'angles de torsion, et peut être réglé avec un déclenchement et en appliquant un champ électrique. Crédit :He et al.
Au cours des dernières années, un nombre croissant de chercheurs dans le monde ont mené des études sur les propriétés et les caractéristiques des matériaux dits de van der Waals torsadés (vdW). Cette classe unique de matériaux pourrait être une plate-forme idéale pour examiner les phases corrélées qui se produisent à la suite d'interactions fortes entre les électrons.
Des chercheurs de l'Université de Washington et de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon ont récemment mené une étude explorant spécifiquement les états isolants corrélés qui peuvent se produire dans les hétérostructures vdW torsadées et qui pourraient être réglés en modifiant l'angle de torsion et en appliquant un champ électrique externe. Dans leur papier, Publié dans Physique de la nature , ils présentent des mesures de transport électrique de graphène double-bicouche torsadé, à partir de laquelle ils ont pu examiner le rôle de la brisure spontanée de la symétrie dans le diagramme de phase du matériau.
Les physiciens de la matière condensée savent isoler des feuilles monocouches de matériaux tels que le graphène depuis plus de 15 ans à l'aide d'une procédure d'exfoliation au scotch. Ils savent maintenant aussi ramasser individuellement des feuilles atomiques minces et les assembler les unes sur les autres. S'ils sont tournés d'un petit angle de torsion, un motif d'interférence géométrique appelé motif moiré émerge. Ce motif peut modifier fortement les propriétés électroniques d'une structure composite.
"Dans certains cas, le motif de moiré peut entraîner de nouveaux états électroniques spectaculaires qui sont entraînés par de fortes interactions entre les électrons dans le matériau, " Matthieu Yankowitz, professeur adjoint de physique et science et ingénierie des matériaux à l'Université de Washington, qui a réalisé l'étude, dit Phys.org. "Cela a été découvert pour la première fois en 2018 par des chercheurs du MIT, qui a observé la supraconductivité et les états isolants corrélés lors de l'empilement de deux feuilles de graphène monocouche tordues de 1,1° (c'est-à-dire, graphène bicouche torsadé à angle magique). Ces états corrélés sont particulièrement excitants car ils résident dans une structure stoechiométriquement simple composée entièrement d'atomes de carbone et peuvent être réglés dynamiquement à l'aide d'un certain nombre de boutons expérimentaux comme le dopage de charge, angle de torsion et pression."
Des états corrélés similaires ont également été observés précédemment dans des cristaux en vrac, pourtant dans ces matériaux, ils étaient beaucoup plus difficiles à régler et à modéliser théoriquement en raison des structures complexes des cristaux. Comprendre ces états fortement corrélés reste donc un défi majeur en physique de la matière condensée.
L'objectif des travaux récents de Yankowitz et de ses collègues était de mieux comprendre comment ces états corrélés dans les hétérostructures vdW peuvent être utilisés dans la recherche et le développement technologique. Peu de temps après qu'ils aient été repérés pour la première fois dans du graphène bicouche torsadé à angle magique, des équipes de recherche du monde entier ont réalisé que ces états pouvaient également être trouvés dans des hétérostructures contenant deux feuilles torsadées de graphène bicouche (c'est-à-dire, quatre couches de graphène au total).
"Dans ce cas, les états corrélés pourraient en outre être contrôlés par un champ électrique appliqué perpendiculairement aux feuilles de graphène, " expliqua Yankowitz. " Cependant, la nature exacte de ces états restait quelque peu mystérieuse. En particulier, il y avait des caractéristiques ressemblant à une forme exotique de supraconductivité, cependant, l'origine exacte de ces caractéristiques n'était pas bien comprise. La principale motivation de notre étude était de répondre à ces questions en étudiant le graphène à double bicouche torsadé avec accordabilité électrique. »
Dans le cadre de leur étude, Yankowitz et ses collègues ont mesuré le transport électrique en fonction de la température et du champ magnétique. Lorsqu'il y a un petit champ magnétique, le signe de la résistance transversale au courant appliqué, qui est connu comme la résistance de Hall, indique quel type de particules subatomiques (c. électrons ou « trous ») sont les principaux porteurs de charge à l'intérieur d'un matériau.
Image au microscope optique d'un dispositif de graphène bicouche torsadé. Crédit :He et al.
Lorsque des états corrélés brisent spontanément une symétrie (c. spin électronique ou symétrie de vallée) dans du graphène bicouche torsadé à basse température, la structure électronique du matériau change rapidement, et ses principaux porteurs de charge peuvent également changer. Par conséquent, mesurer simultanément la résistivité du matériau et l'effet Hall peut offrir des informations précieuses sur les états corrélés à l'intérieur de celui-ci.
"En mesurant soigneusement la résistivité et l'effet Hall du graphène bicouche torsadé en fonction de la température, nous avons constaté que la résistivité brutale chute, rappelant la supraconductivité, ont également été associés à un changement de signe simultané de sa résistance de Hall, " dit Xiaodong Xu, professeur de physique et science et ingénierie des matériaux à l'Université de Washington. "Cette observation est plus cohérente avec le début de l'ordre magnétique dû à la rupture spontanée de la symétrie qu'avec la supraconductivité."
De façon intéressante, la chute de résistivité observée par Yankowitz, Xu et leurs collègues du graphène torsadé à double bicouche subissent le changement le plus marqué en fonction de la température à la frontière des états de rupture de symétrie. Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont également étudié le transport en fonction du biais causé par un courant électrique appliqué.
Lorsqu'ils appliquaient un courant au matériau, ils ont observé des signatures associées au transport non linéaire. Bien que le transport non linéaire soit également observé dans les états supraconducteurs, ils ont découvert que dans leur échantillon, cela était probablement le résultat de mécanismes de chauffage par effet Joule.
"Notre travail fournit une nouvelle compréhension critique de caractéristiques auparavant mystérieuses associées à des états corrélés dans le graphène torsadé à double bicouche, " Yankowitz a déclaré. "Bien que nous ne puissions pas exclure directement la supraconductivité, nos résultats suggèrent que le magnétisme entraîné par la rupture spontanée de la symétrie est un candidat plausible pour l'état métallique corrélé dans le graphène torsadé à double bicouche."
Dans les années récentes, des caractéristiques de type supraconductivité similaires à celles examinées par cette équipe de chercheurs ont été observées dans une grande variété d'hétérostructures moiré vdW. Les nouvelles découvertes qu'ils ont présentées pourraient aider à différencier ces états de la supraconductivité que des études antérieures ont dévoilée dans le graphène bicouche torsadé à angle magique.
En outre, les observations recueillies par Yankowitz, Xu et leurs collègues pourraient aider à mieux comprendre la nature des états corrélés dans les hétérostructures moiré vdW d'un point de vue théorique, qui jusqu'à présent s'est avéré très difficile. Les chercheurs prévoient d'utiliser les connaissances acquises pour développer des sondes plus directes pour comprendre ces états.
"Étant donné que nos résultats suggèrent que les états métalliques corrélés sont magnétiquement ordonnés, nous aimerions observer des signatures directes de ce magnétisme en utilisant une combinaison de transport électrique et de spectroscopie optique, " Yankowitz a déclaré. "Nous étudions également de nouvelles façons de contrôler ces états corrélés, par exemple en appliquant une pression élevée pour modifier le couplage intercouche et la structure cristalline du matériau. Finalement, la théorie prédit que ce matériau peut héberger des états topologiques, comme l'effet Hall anormal quantique, nous cherchons donc maintenant des moyens d'exposer et de sonder cette topologie non triviale."
© 2020 Réseau Science X
