Depuis que le graphène a été isolé et caractérisé pour la première fois au début des années 2000, les chercheurs ont exploré les moyens d'utiliser ce nanomatériau atomiquement mince en raison de ses propriétés uniques telles que la résistance à la traction et la conductivité élevées.

Ces dernières années, le graphène bicouche torsadé, composé de deux feuilles de graphène torsadées à un angle "magique" spécifique, s'est avéré avoir une supraconductivité, ce qui signifie qu'il peut conduire l'électricité avec très peu de résistance. Cependant, l'utilisation de cette approche pour fabriquer des dispositifs reste difficile en raison du faible rendement de fabrication du graphène bicouche torsadé.

Maintenant, une nouvelle étude montre comment les déformations périodiques à motifs d'une seule couche de graphène la transforment en un matériau aux propriétés électroniques précédemment observées dans les bicouches de graphène torsadées. Ce système héberge également des états conducteurs supplémentaires inattendus et intéressants à la frontière. Grâce à une meilleure compréhension de la façon dont les propriétés uniques se produisent lorsque des feuilles simples de graphène sont soumises à des contraintes périodiques, ce travail a le potentiel de créer des dispositifs quantiques tels que des aimants orbitaux et des supraconducteurs à l'avenir. L'étude, publiée dans Physical Review Letters , a été menée par l'étudiant diplômé Võ Tiến Phong et le professeur Eugene Mele du Département de physique et d'astronomie de Penn à l'École des arts et des sciences.

Une alternative à la méthode complexe de la bicouche torsadée consiste à utiliser des couches uniques de graphène qui sont placées sur un substrat soigneusement dessiné, connu sous le nom de "lit de clous", qui applique une force externe, ou une contrainte, de manière périodique. Pour mieux comprendre les propriétés géométriques quantiques de ce système, Mele et Phong ont entrepris de comprendre la théorie sous-jacente à la façon dont les électrons se déplacent dans ce système à une seule couche.

Après avoir exécuté des simulations informatiques d'expériences à une seule couche, les chercheurs ont été surpris de trouver de nouvelles preuves de phénomènes inattendus le long de la surface du matériau, mais seulement d'un côté. "Généralement, la topologie en masse est associée aux propriétés de surface, et lorsque c'est le cas, toutes les surfaces héritent de la propriété", explique Mele. "Ici, le fait qu'il y ait des modes de bord d'un côté et pas de l'autre m'a semblé profondément inhabituel."

Cette découverte était inattendue car dans ce système, le champ pseudo-magnétique moyen, induit lorsque le système est sollicité, était nul - positif dans une zone mais négatif dans l'autre, ce qui, selon les chercheurs, annulerait tout phénomène unique. "Si le champ magnétique est nul, vous n'obtiendrez probablement aucune physique intéressante", déclare Phong. "Au contraire, nous avons constaté que même si le champ magnétique moyen est nul, cela vous donne toujours une physique intéressante à la périphérie."

Pour expliquer ce résultat inattendu, Phong a examiné de plus près un système expérimental similaire où des feuilles simples de graphène sont pliées pour simuler un champ induit par une contrainte constante au lieu d'un champ périodique. Phong a découvert que ce système avait le même indice topologique, ce qui signifie que des états de bord qui ne prospèrent que sur un côté spécifique du matériau se produiraient également. "La physique ici était similaire et semblait être la bonne explication de la phénoménologie sur laquelle nous travaillions", déclare Phong.

Dans l'ensemble, cette étude prédit que des bandes plates, similaires à celles trouvées dans le graphène bicouche torsadé, sont créées en déposant une couche unique atomiquement mince sur un substrat à lit de clous qui induit une distorsion périodique sur la feuille de graphène.

Les chercheurs progressent déjà vers une compréhension encore plus approfondie de ces systèmes à une seule couche. Une piste de recherche supplémentaire implique une collaboration avec le professeur adjoint Bo Zhen pour étudier le même phénomène à l'aide d'ondes lumineuses. Les chercheurs sont également intéressés à voir si d'autres propriétés uniques qui existent dans le graphène bicouche torsadé pourraient également se produire dans les systèmes monocouches.

"Bien que la physique soit simple, ce qui signifie que vous pouvez faire en sorte que le système se comporte comme vous le souhaitez de manière plus contrôlée, la phénoménologie que vous pouvez en tirer ne l'est pas. C'est très riche et nous découvrons encore de nouvelles choses. au moment où nous parlons », dit Phong.

Et parce que ces systèmes monocouches sont plus simples à utiliser, cette compréhension théorique améliorée a le potentiel d'aider à de futures découvertes dans le domaine de la physique des états de bord, y compris de nouveaux dispositifs possibles tels que des matériaux quantiques ultra-petits et incroyablement rapides.

"Il y a actuellement un énorme effort pour comprendre ces bicouches de graphène torsadées, et je pense qu'une question intéressante que nous posons ici est celle des ingrédients essentiels d'un système physique qui pourrait réellement le faire", déclare Mele. "Nous construisons des structures artificielles que vous ne pourriez pas construire de haut en bas à une échelle de longueur intéressante - plus grandes que les atomes, plus petites que ce que vous pouvez faire par lithographie - et, si vous avez le contrôle de cela, il y a beaucoup de choses que vous peut faire." + Explorer plus loin

Un aperçu à l'intérieur d'un sandwich au graphène