Potentiel périodique dans l'espace réel dans le graphène bicouche torsadé à angle magique imagé avec un microscope à effet tunnel. L'encart montre le résultat principal de l'étude :à mesure que plus d'électrons illustrés par des flèches sont ajoutés au graphène bicouche, en raison de fortes corrélations électroniques, la topologie des bandes électroniques change par analogie à l'ajout de trous dans la sphère. Crédit :Stevan Nadj-Pergé
Une feuille de graphène bicouche torsadé à angle magique peut héberger de nouvelles phases topologiques de la matière, une étude a révélé.
Graphène tordu à angle magique, découvert pour la première fois en 2018, est composé de deux feuilles de graphène (une forme de carbone constituée d'une seule couche d'atomes dans un réseau en nid d'abeille), superposés les uns sur les autres, avec une feuille tordue précisément à 1,05 degré par rapport à l'autre. La bicouche résultante a des propriétés électroniques inhabituelles :par exemple, il peut être transformé en isolant ou en supraconducteur selon le nombre d'électrons ajoutés.
La découverte a lancé un nouveau domaine de recherche sur le graphène tordu à angle magique, connu sous le nom de "twistronics". Chez Caltech, Stevan Nadj-Pergé, professeur assistant de physique appliquée et science des matériaux, a été parmi les chercheurs en tête :en 2019, lui et ses collègues ont directement imagé les propriétés électroniques du graphène tordu à angle magique à des échelles de longueur atomique; et en 2020, ils ont démontré que la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé peut exister loin de l'angle magique lorsqu'il est couplé à un semi-conducteur bidimensionnel.
Maintenant, Nadj-Perge et ses collègues ont découvert que le graphène bicouche torsadé à angle magique présente également des phases quantiques topologiques inattendues. Un article sur le travail paraît dans le numéro du 18 janvier de La nature .
Que sont les phases quantiques topologiques et pourquoi sont-elles importantes ? Traditionnellement, les matériaux sont classés soit comme des isolants, qui entravent la circulation des électrons et ne conduisent donc pas l'électricité; métaux, qui conduisent bien l'électricité; et semi-conducteurs, qui conduisent l'électricité entre les métaux et les isolants.
Cependant, lorsque de forts champs magnétiques sont appliqués aux différents types de matériaux, le comportement des électrons à travers eux est modifié, produisant d'autres états possibles - ou phases quantiques topologiques. Par exemple, sous de forts champs magnétiques, la masse d'un matériau peut devenir isolante tandis que les surfaces (ou bords, dans le cas d'un matériau bidimensionnel) sont hautement conducteurs. Théoriquement, les phases quantiques topologiques pourraient avoir de nombreuses applications, y compris dans le traitement de l'information quantique.
Dans le nouveau travail, Nadj-Perge et ses collègues ont utilisé la microscopie à effet tunnel pour imager directement le graphène bicouche torsadé avec une résolution atomique, et ont constaté que les fortes interactions entre les électrons dans le graphène bicouche torsadé permettent l'émergence de ces phases topologiques sans avoir besoin d'un champ magnétique puissant. Ils ont également étudié le graphène tordu à des angles alternatifs, mais a trouvé que les nouvelles phases topologiques n'étaient présentes qu'à l'angle magique.
"La découverte de phases topologiques dans le graphène bicouche torsadé à angle magique ouvre un autre chapitre sur ce matériau étonnant et nous rapproche de la compréhension de ses propriétés électroniques." dit Nadj-Pergé, auteur correspondant de l'article. "Le plus important, cependant, nos découvertes pointent également vers de nouvelles façons de concevoir des phases topologiques qui peuvent être poursuivies à l'avenir. » Ces matériaux pourraient, en théorie, avoir de nombreuses applications; par exemple, certaines excitations de phases topologiques pourraient être utilisées pour effectuer le traitement de l'information dans les futurs ordinateurs quantiques.
Leur article s'intitule « Phases topologiques axées sur la corrélation dans le graphène bicouche torsadé à angle magique ».
