Les scientifiques étudient deux configurations différentes de graphène bicouche, la bidimensionnelle (2D), forme atomique de carbone - ont détecté des résonances électroniques et optiques entre les couches. Dans ces états de résonance, les électrons rebondissent entre les deux plans atomiques de l'interface 2D à la même fréquence. En caractérisant ces états, ils ont découvert que la torsion d'une des couches de graphène de 30 degrés par rapport à l'autre, au lieu d'empiler les couches directement les unes sur les autres, déplace la résonance vers une énergie inférieure. A partir de ce résultat, vient de paraître dans Lettres d'examen physique , ils en ont déduit que la distance entre les deux couches augmentait significativement dans la configuration torsadée, par rapport à celui empilé. Lorsque cette distance change, les interactions intercouches aussi, influençant la façon dont les électrons se déplacent dans le système bicouche. Une compréhension de ce mouvement des électrons pourrait éclairer la conception de futures technologies quantiques pour un calcul plus puissant et une communication plus sécurisée.

"Les puces informatiques d'aujourd'hui sont basées sur notre connaissance de la façon dont les électrons se déplacent dans les semi-conducteurs, spécifiquement le silicium, " a déclaré le premier et co-auteur Zhongwei Dai, un post-doctorant dans le groupe Interface Science and Catalysis au Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE). "Mais les propriétés physiques du silicium atteignent une limite physique en termes de façon dont de petits transistors peuvent être fabriqués et combien peuvent tenir sur une puce. Si nous pouvons comprendre comment les électrons se déplacent à la petite échelle de quelques nanomètres dans les dimensions réduites de matériaux 2D, nous pourrons peut-être découvrir une autre façon d'utiliser les électrons pour la science de l'information quantique."

A quelques nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, la taille d'un système matériel est comparable à celle de la longueur d'onde des électrons. Lorsque les électrons sont confinés dans un espace aux dimensions de leur longueur d'onde, les propriétés électroniques et optiques du matériau changent. Ces effets de confinement quantique sont le résultat d'un mouvement ondulatoire de la mécanique quantique plutôt que du mouvement mécanique classique, dans lequel les électrons se déplacent à travers un matériau et sont dispersés par des défauts aléatoires.

Pour cette recherche, l'équipe a sélectionné un modèle de matériau simple, le graphène, pour étudier les effets du confinement quantique, appliquer deux sondes différentes :les électrons et les photons (particules de lumière). Pour sonder les résonances électroniques et optiques, ils ont utilisé un substrat spécial sur lequel le graphène pouvait être transféré. L'auteur co-correspondant et scientifique du CFN Interface Science and Catalysis Group, Jurek Sadowski, avait précédemment conçu ce substrat pour la Quantum Material Press (QPress). Le QPress est un outil automatisé en cours de développement dans l'installation de synthèse et de caractérisation des matériaux du CFN pour la synthèse, En traitement, et la caractérisation des matériaux 2D en couches. Classiquement, les scientifiques exfolient des « flocons » de matériau 2D à partir de cristaux parents 3D (par exemple, graphène à partir de graphite) sur un substrat de dioxyde de silicium de plusieurs centaines de nanomètres d'épaisseur. Cependant, ce substrat est isolant, et donc les techniques d'interrogation basées sur les électrons ne fonctionnent pas. Donc, Sadowski et Chang-Yong Nam, scientifique du CFN, et Ashwanth Subramanian, étudiant diplômé de l'Université Stony Brook, ont déposé une couche conductrice d'oxyde de titane de seulement trois nanomètres d'épaisseur sur le substrat de dioxyde de silicium.

"Cette couche est suffisamment transparente pour la caractérisation optique et la détermination de l'épaisseur des flocons exfoliés et des monocouches empilées tout en étant suffisamment conductrice pour les techniques de microscopie électronique ou de spectroscopie synchrotron, " a expliqué Sadowski.

Dans le groupe Charlie Johnson à l'Université de Pennsylvanie—Rebecca W. Bushnell Professeur de physique et d'astronomie Charlie Johnson, post-doctorant Qicheng Zhang, et l'ancien postdoctorant Zhaoli Gao (maintenant professeur adjoint à l'Université chinoise de Hong Kong) - ont cultivé le graphène sur des feuilles métalliques et l'ont transféré sur le substrat d'oxyde de titane/dioxyde de silicium. Lorsque le graphène est cultivé de cette manière, les trois domaines (couche unique, empilé, et tordu) sont présents.

Puis, Dai et Sadowski ont conçu et réalisé des expériences dans lesquelles ils ont projeté des électrons dans le matériau avec un microscope électronique à basse énergie (LEEM) et détecté les électrons réfléchis. Ils ont également tiré des photons à partir d'un microscope optique à laser avec un spectromètre dans le matériau et analysé le spectre de la lumière rétrodiffusée. Ce microscope confocal Raman fait partie du catalogueur QPress, qui, avec un logiciel d'analyse d'images, peut localiser les emplacements d'échantillons de zones d'intérêt.

"Le microscope QPress Raman nous a permis d'identifier rapidement la zone d'échantillon cible, accélérer nos recherches, " dit Dai.

Leurs résultats suggèrent que l'espacement entre les couches dans la configuration de graphène torsadé a augmenté d'environ six pour cent par rapport à la configuration non torsadée. Des calculs effectués par des théoriciens de l'Université du New Hampshire ont vérifié le comportement électronique de résonance unique dans la configuration torsadée.

"Les appareils fabriqués à partir de graphène tourné peuvent avoir des propriétés très intéressantes et inattendues en raison de l'espacement intercalaire accru dans lequel les électrons peuvent se déplacer, " a déclaré Sadowski.

Prochain, l'équipe fabriquera des appareils avec du graphène torsadé. L'équipe s'appuiera également sur les expériences initiales menées par le scientifique du CFN Samuel Tenney et les post-doctorants du CFN Calley Eads et Nikhil Tiwale pour explorer comment l'ajout de différents matériaux à la structure en couches affecte ses propriétés électroniques et optiques.

« Dans cette première recherche, nous avons choisi le système matériel 2D le plus simple que nous puissions synthétiser et contrôler pour comprendre le comportement des électrons, " a déclaré Dai. "Nous prévoyons de poursuivre ces types d'études fondamentales, J'espère faire la lumière sur la façon de manipuler les matériaux pour l'informatique quantique et les communications."