Les matériaux 2D ont déclenché un boom dans la recherche sur les matériaux. Maintenant, il s'avère que des effets excitants se produisent lorsque deux de ces matériaux en couches sont empilés et légèrement tordus.

La découverte du matériau graphène, qui se compose d'une seule couche d'atomes de carbone, était le signal de départ d'une course mondiale :aujourd'hui, des matériaux dits 2D sont produits, composé de différents types d'atomes. Des couches atomiquement minces qui ont souvent des propriétés matérielles très spéciales que l'on ne trouve pas dans les matériaux plus épais.

Maintenant, un autre chapitre s'ajoute à ce domaine de recherche :si deux de ces couches 2D sont empilées à angle droit, encore plus de nouvelles possibilités se présentent. La façon dont les atomes des deux couches interagissent crée des motifs géométriques complexes, et ces motifs ont un impact décisif sur les propriétés du matériau, comme une équipe de recherche de la TU Wien et de l'Université du Texas (Austin) a maintenant pu le montrer. Les phonons, les vibrations du réseau des atomes, sont considérablement influencés par l'angle auquel les deux couches de matériau sont superposées. Ainsi, avec de minuscules rotations d'une telle couche, on peut modifier considérablement les propriétés du matériau.

L'effet moiré

L'idée de base peut être testée à la maison avec deux feuilles de moustiquaire - ou avec tout autre maillage régulier qui peut être placé l'un sur l'autre :si les deux grilles sont parfaitement congruentes l'une sur l'autre, vous pouvez à peine dire d'en haut s'il s'agit d'une ou deux grilles. La régularité de la structure n'a pas changé.

Mais si vous tournez maintenant une des grilles d'un petit angle, il y a des endroits où les points de grille des mailles correspondent à peu près, et d'autres endroits où ils ne le font pas. Par ici, des motifs intéressants émergent, c'est l'effet moiré bien connu.

"Vous pouvez faire exactement la même chose avec les réseaux atomiques de deux couches matérielles, " dit le Dr Lukas Linhart de l'Institut de physique théorique de la TU Wien. Ce qui est remarquable, c'est que cela peut modifier considérablement certaines propriétés des matériaux, par exemple, le graphène devient un supraconducteur si deux couches de ce matériau sont combinées de la bonne manière.

"Nous avons étudié des couches de bisulfure de molybdène, lequel, avec le graphène, est probablement l'un des matériaux 2D les plus importants, " dit le Pr Florian Libisch, qui a dirigé le projet à TU Wien. "Si vous mettez deux couches de ce matériau l'une sur l'autre, les forces dites de Van der Waals se produisent entre les atomes de ces deux couches. Ce sont des forces relativement faibles, mais ils sont assez puissants pour changer complètement le comportement de l'ensemble du système."

Dans des simulations informatiques élaborées, l'équipe de recherche a analysé l'état de mécanique quantique de la nouvelle structure bicouche causé par ces faibles forces supplémentaires, et comment cela affecte les vibrations des atomes dans les deux couches.

L'angle de rotation compte

"Si vous tordez un peu les deux couches l'une contre l'autre, les forces de Van der Waals font que les atomes des deux couches changent un peu de position, " dit le Dr Jiamin Quan, de l'UT Texas à Austin. Il a dirigé les expériences au Texas, ce qui a confirmé les résultats des calculs :L'angle de rotation peut être utilisé pour ajuster quelles vibrations atomiques sont physiquement possibles dans le matériau.

« En matière de science des matériaux, il est important de contrôler les vibrations des phonons de cette manière, " explique Lukas Linhart " Le fait que les propriétés électroniques d'un matériau 2D puissent être modifiées en joignant deux couches était déjà connu auparavant. Mais le fait que les oscillations mécaniques du matériau puissent également être contrôlées par cela nous ouvre désormais de nouvelles possibilités. Les phonons et les propriétés électromagnétiques sont étroitement liés. Via les vibrations dans le matériau, on peut donc intervenir dans des effets à N corps importants de manière contrôlante. » Après cette première description de l'effet pour les phonons, les chercheurs tentent maintenant de décrire phonons et électrons combinés, dans l'espoir d'en savoir plus sur des phénomènes importants comme la supraconductivité.

L'effet Moiré physique-matériau rend ainsi le domaine de recherche déjà riche des matériaux 2D encore plus riche - et augmente les chances de continuer à trouver de nouveaux matériaux en couches avec des propriétés auparavant inaccessibles et permet l'utilisation de matériaux 2D comme plate-forme expérimentale pour des propriétés assez fondamentales de solides.