La plupart des matériaux passent de solides à liquides lorsqu'ils sont chauffés. Un contre-exemple rare est l'hélium-3, qui peut se solidifier en chauffant. Cet effet contre-intuitif et exotique, connu sous le nom d'effet Pomeranchuk, peut maintenant avoir trouvé son analogue électronique dans un matériau connu sous le nom de graphène à angle magique, déclare une équipe de chercheurs du Weizmann Institute of Science dirigée par le professeur Shahal Ilani, en collaboration avec le groupe du professeur Pablo Jarillo-Herrero au Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Ce résultat, publié aujourd'hui dans La nature , vient grâce à la toute première mesure de l'entropie électronique dans un matériau bidimensionnel atomiquement mince. "L'entropie décrit le niveau de désordre dans un matériau et détermine laquelle de ses phases est stable à différentes températures, " explique Ilani. " Notre équipe s'est mise en place pour mesurer l'entropie électronique dans l'angle magique du graphène afin de résoudre certains de ses mystères en suspens, mais j'ai découvert une autre surprise."

Entropie magnétique géante

L'entropie est une quantité physique de base qui n'est pas facile à saisir ou à mesurer directement. A basse température, la plupart des degrés de liberté dans un matériau conducteur se figent, et seuls les électrons contribuent à l'entropie. Dans les matériaux en vrac, il y a une abondance d'électrons, et ainsi il est possible de mesurer leur capacité calorifique et d'en déduire l'entropie. Dans un matériau bidimensionnel atomiquement mince, en raison du petit nombre d'électrons, une telle mesure devient extrêmement difficile. Jusque là, aucune expérience n'a réussi à mesurer l'entropie dans de tels systèmes.

Pour mesurer l'entropie, l'équipe Weizmann a utilisé un microscope à balayage unique composé d'un transistor à un seul électron à nanotube de carbone positionné au bord d'une sonde à balayage en porte-à-faux. Cet instrument peut imager spatialement le potentiel électrostatique produit par les électrons dans un matériau, avec une sensibilité sans précédent. Basé sur les relations de Maxwell qui relient les différentes propriétés thermodynamiques d'un matériau, on peut utiliser ces mesures électrostatiques pour sonder directement l'entropie des électrons.

"Lorsque nous avons effectué les mesures à des champs magnétiques élevés, l'entropie semblait absolument normale, suivant le comportement attendu d'un liquide conventionnel (Fermi) d'électrons, qui est l'état le plus standard dans lequel les électrons existent à basse température. Étonnamment, cependant, à champ magnétique nul, les électrons présentaient un excès d'entropie géant, dont la présence était très mystérieuse." dit Ilani. Cette entropie géante est apparue lorsque le nombre d'électrons dans le système était d'environ un pour chaque site du "super-réseau" artificiel formé dans le graphène à angle magique.

"superréseau" artificiel en couches torsadées de graphène

Le graphène est un cristal d'un atome d'épaisseur d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal. Lorsque deux feuilles de graphène sont placées l'une sur l'autre avec un petit et spécial, ou "magie, " angle de désalignement, un motif de moiré périodique apparaît qui agit comme un "super-réseau" artificiel pour les électrons dans le matériau. Les motifs moirés sont un effet populaire dans les tissus et apparaissent partout où une maille se superpose à une autre sous un léger angle.

Dans le graphène à angle magique, les électrons se déclinent en quatre saveurs :spin 'up' ou spin 'down, " et deux " vallées ". Chaque site moiré peut ainsi contenir jusqu'à quatre électrons, un de chaque saveur.

Les chercheurs savaient déjà que ce système se comporte comme un simple isolant lorsque tous les sites de moiré sont complètement pleins (quatre électrons par site). En 2018, cependant, Le professeur Jarillo-Herrero et ses collègues ont découvert à leur grande surprise qu'il peut être isolant à d'autres remplissages entiers (deux ou trois électrons par site moiré), ce qui ne pourrait être expliqué que si un état corrélé d'électrons est formé. Cependant, près d'un remplissage d'un électron par site moiré, la grande majorité des mesures de transport a indiqué que le système est assez simple, se comportant comme un métal ordinaire. C'est précisément là que les mesures d'entropie de l'équipe Weizmann-MIT ont trouvé les résultats les plus surprenants.

"Contrairement au comportement observé dans le transport à proximité d'un remplissage d'un électron par site moiré, qui est assez sans particularité, nos mesures ont indiqué que thermodynamiquement, la transition de phase la plus spectaculaire se produit à ce remplissage, " dit le Dr Asaf Rozen, un auteur principal dans ce travail. "On s'est rendu compte qu'à proximité de ce remplissage, lors du chauffage du matériau, un liquide de Fermi plutôt conventionnel se transforme en un métal corrélé avec une entropie magnétique géante. Cette entropie géante (d'environ 1 constante de Boltzmann par site de réseau) ne pourrait être expliquée que si chaque site de moiré a un degré de liberté totalement libre de fluctuer. »

Un analogue électronique de l'effet Pomeranchuk

"Cet excès d'entropie inhabituel nous a rappelé un effet exotique qui a été découvert il y a environ 70 ans dans l'hélium-3, " déclare le théoricien de Weizmann, le professeur Erez Berg. " La plupart des matériaux, lorsqu'il est chauffé, transformer d'un solide à un liquide. C'est parce qu'un liquide a toujours plus d'entropie que le solide, car les atomes se déplacent de manière plus erratique dans le liquide que dans le solide." Dans l'hélium-3, cependant, dans une petite partie du diagramme de phase, le matériau se comporte complètement à l'opposé, et la phase à température plus élevée est le solide. Ce comportement, prédit par le physicien théoricien soviétique Isaak Pomeranchuk dans les années 1950, ne peut s'expliquer que par l'existence d'une autre source "cachée" d'entropie dans le système. Dans le cas de l'hélium-3, cette entropie provient des spins nucléaires en rotation libre. "Chaque atome a un spin dans son noyau (une 'flèche' qui peut pointer dans n'importe quelle direction), " explique Berg. " Dans l'hélium 3 liquide, en raison du principe d'exclusion de Pauli, exactement la moitié des tours doit pointer vers le haut et la moitié doit pointer vers le bas, donc les spins ne peuvent pas tourner librement. En phase solide, cependant, les atomes sont localisés et ne se rapprochent jamais, ainsi leurs spins nucléaires peuvent tourner librement."

"L'entropie excédentaire géante que nous avons observée à l'état corrélé avec un électron par site moiré est analogue à l'entropie dans l'hélium-3 solide, mais au lieu d'atomes et de spins nucléaires, dans le cas du graphène à angle magique, nous avons des électrons et des spins électroniques (ou moments magnétiques de vallée), " il dit.

Le diagramme de phase magnétique

Pour approfondir la relation avec l'effet Pomeranchuk, l'équipe a effectué des mesures détaillées du diagramme de phase. Cela a été fait en mesurant la "compressibilité" des électrons dans le système, c'est-à-dire à quel point il est difficile de presser des électrons supplémentaires dans un site de réseau donné (une telle mesure a été démontrée dans le graphène bicouche torsadé dans le travail précédent de l'équipe). Cette mesure a révélé deux phases distinctes séparées par une forte baisse de la compressibilité :une faible entropie, phase liquide électronique, et une phase de type solide à haute entropie avec des moments magnétiques libres. En suivant la baisse de la compressibilité, les chercheurs ont cartographié la frontière entre les deux phases en fonction de la température et du champ magnétique, démontrant que la limite de phase se comporte exactement comme prévu par l'effet Pomerachuk.

"Ce nouveau résultat remet en question notre compréhension du graphène à angle magique, " dit Berg. " Nous avons imaginé que les phases de ce matériau étaient simples - soit conductrices, soit isolantes, et s'attend à ce qu'à des températures aussi basses, toutes les fluctuations électroniques sont gelées. Il s'avère que ce n'est pas le cas, comme le montre l'entropie magnétique géante."

"Les nouvelles découvertes fourniront de nouvelles informations sur la physique des systèmes électroniques fortement corrélés et aideront peut-être même à expliquer comment ces spins fluctuants affectent la supraconductivité, " il ajoute.

Les chercheurs reconnaissent qu'ils ne savent pas encore comment expliquer l'effet Pomeranchuk dans le graphène à angle magique. Est-ce exactement comme dans l'hélium-3 en ce que les électrons de la phase solide restent à une grande distance les uns des autres, permettant à leurs moments magnétiques de rester complètement libres ? "Nous ne sommes pas sûrs, " admet Ilani, "puisque la phase que nous avons observée a une" personnalité de broche " - certaines de ses propriétés sont associées à des électrons itinérants tandis que d'autres ne peuvent être expliquées qu'en pensant que les électrons sont localisés sur un réseau."