Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Göttingen a détecté de nouveaux effets quantiques dans des études de haute précision sur le graphène naturel à double couche et les a interprétés avec l'Université du Texas à Dallas à l'aide de leurs travaux théoriques. Cette recherche apporte de nouvelles connaissances sur l'interaction des porteurs de charge et les différentes phases, et contribue à la compréhension des processus impliqués. Le LMU de Munich et l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, au Japon, ont également participé à la recherche. Les résultats ont été publiés dans Nature .

Le nouveau matériau graphène, une fine couche d'atomes de carbone, a été découvert pour la première fois par une équipe de recherche britannique en 2004. Entre autres propriétés inhabituelles, le graphène est connu pour sa conductivité électrique extraordinairement élevée. Si deux couches individuelles de graphène sont tordues à un angle très spécifique l'une par rapport à l'autre, le système devient même supraconducteur (c'est-à-dire qu'il conduit l'électricité sans aucune résistance) et présente d'autres effets quantiques excitants tels que le magnétisme. Cependant, la production de telles doubles couches de graphène torsadé a jusqu'à présent nécessité des efforts techniques accrus.

Cette nouvelle étude a utilisé la forme naturelle du graphène à double couche, où aucune fabrication complexe n'est requise. Dans un premier temps, l'échantillon est isolé d'un morceau de graphite en laboratoire à l'aide d'un simple ruban adhésif. Pour observer les effets de la mécanique quantique, l'équipe de Göttingen a alors appliqué un champ électrique élevé perpendiculaire à l'échantillon :la structure électronique du système change et une forte accumulation de porteurs de charge d'énergie similaire se produit.

À des températures juste au-dessus du zéro absolu de moins 273,15 degrés Celsius, les électrons du graphène peuvent interagir les uns avec les autres et une variété de phases quantiques complexes émergent de manière totalement inattendue. Par exemple, les interactions provoquent l'alignement des spins des électrons, rendant le matériau magnétique sans autre influence extérieure. En modifiant le champ électrique, les chercheurs peuvent modifier en permanence la force des interactions des porteurs de charge dans le graphène à double couche. Dans des conditions spécifiques, les électrons peuvent être si restreints dans leur liberté de mouvement qu'ils forment leur propre réseau d'électrons et ne peuvent plus contribuer au transport de charge en raison de leur interaction répulsive mutuelle. Le système est alors électriquement isolant.

"Les recherches futures peuvent désormais se concentrer sur l'étude d'autres états quantiques", déclarent le professeur Thomas Weitz et Ph.D. étudiante Anna Seiler, Faculté de physique de l'Université de Göttingen. "Afin d'accéder à d'autres applications, par exemple de nouveaux systèmes informatiques tels que les ordinateurs quantiques, les chercheurs devraient trouver comment ces résultats pourraient être obtenus à des températures plus élevées. Cependant, un avantage majeur du système actuel développé dans notre nouvelle recherche réside dans le simplicité de fabrication des matériaux." + Explorer plus loin

Nouvel effet quantique découvert dans le graphène naturel