Lorsque deux feuilles de graphène, un nanomatériau de carbone, sont empilées à un angle particulier l'une par rapport à l'autre, cela donne lieu à une physique fascinante. Par exemple, lorsque ce soi-disant "graphène à angle magique" est refroidi presque au zéro absolu, il devient soudainement un supraconducteur, ce qui signifie qu'il conduit l'électricité avec une résistance nulle.

Maintenant, une équipe de recherche de l'Université Brown a découvert un nouveau phénomène surprenant qui peut survenir dans le graphène à angle magique. Dans une recherche publiée dans la revue Science , l'équipe a montré qu'en induisant un phénomène connu sous le nom de couplage spin-orbite, le graphène à angle magique devient un ferromagnétique puissant.

"Le magnétisme et la supraconductivité sont généralement aux extrémités opposées du spectre en physique de la matière condensée, et il est rare qu'ils apparaissent dans la même plate-forme matérielle", a déclaré Jia Li, professeur adjoint de physique à Brown et auteur principal de la recherche. "Pourtant, nous avons montré que nous pouvons créer du magnétisme dans un système qui héberge à l'origine de la supraconductivité. Cela nous donne une nouvelle façon d'étudier l'interaction entre la supraconductivité et le magnétisme, et offre de nouvelles possibilités passionnantes pour la recherche en science quantique."

Le graphène à angle magique a fait sensation en physique ces dernières années. Le graphène est un matériau bidimensionnel composé d'atomes de carbone disposés selon un motif en nid d'abeille. Les feuilles simples de graphène sont intéressantes en elles-mêmes, affichant une résistance matérielle remarquable et une conductance électrique extrêmement efficace. Mais les choses deviennent encore plus intéressantes lorsque les feuilles de graphène sont empilées. Les électrons commencent à interagir non seulement avec d'autres électrons dans une feuille de graphène, mais aussi avec ceux de la feuille adjacente. Changer l'angle des feuilles les unes par rapport aux autres modifie ces interactions, donnant lieu à des phénomènes quantiques intéressants comme la supraconductivité.

Cette nouvelle recherche ajoute une nouvelle ride, le couplage spin-orbite, à ce système déjà intéressant. Le couplage spin-orbite est un état du comportement des électrons dans certains matériaux dans lequel le spin de chaque électron (son minuscule moment magnétique qui pointe vers le haut ou vers le bas) devient lié à son orbite autour du noyau atomique.

"Nous savons que le couplage spin-orbite donne lieu à un large éventail de phénomènes quantiques intéressants, mais il n'est normalement pas présent dans le graphène à angle magique", a déclaré Jiang-Xiazi Lin, chercheur postdoctoral à Brown et auteur principal de l'étude. "Nous voulions introduire le couplage spin-orbite, puis voir quel effet cela avait sur le système."

Pour ce faire, Li et son équipe ont interfacé du graphène à angle magique avec un bloc de diséléniure de tungstène, un matériau qui présente un fort couplage spin-orbite. L'alignement de la pile induit précisément un couplage spin-orbite dans le graphène. À partir de là, l'équipe a sondé le système avec des courants électriques externes et des champs magnétiques.

Les expériences ont montré qu'un courant électrique circulant dans une direction à travers le matériau en présence d'un champ magnétique externe produit une tension dans la direction perpendiculaire au courant. Cette tension, connue sous le nom d'effet Hall, est la signature révélatrice d'un champ magnétique intrinsèque dans le matériau.

À la grande surprise de l'équipe de recherche, ils ont montré que l'état magnétique pouvait être contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe, orienté soit dans le plan du graphène, soit hors du plan. Cela contraste avec les matériaux magnétiques sans couplage spin-orbite, où le magnétisme intrinsèque ne peut être contrôlé que lorsque le champ magnétique externe est aligné dans la direction du magnétisme.

"Cette observation est une indication que le couplage spin-orbite est effectivement présent et a fourni l'indice pour construire un modèle théorique pour comprendre l'influence de l'interface atomique", a déclaré Yahui Zhang, un physicien théoricien de l'Université de Harvard qui a travaillé avec l'équipe de Brown. comprendre la physique associée au magnétisme observé.

"L'influence unique du couplage spin-orbite donne aux scientifiques un nouveau bouton expérimental à tourner dans l'effort de comprendre le comportement du graphène à angle magique", a déclaré Erin Morrissette, une étudiante diplômée de Brown qui a effectué une partie du travail expérimental. "Les résultats ont également le potentiel pour de nouvelles applications d'appareils."

Une application possible est dans la mémoire de l'ordinateur. L'équipe a découvert que les propriétés magnétiques du graphène à angle magique peuvent être contrôlées à la fois avec des champs magnétiques externes et des champs électriques. Cela ferait de ce système bidimensionnel un candidat idéal pour un dispositif de mémoire magnétique avec des options de lecture/écriture flexibles.

Une autre application potentielle est l'informatique quantique, selon les chercheurs. Une interface entre un ferromagnétique et un supraconducteur a été proposée comme élément de base potentiel pour les ordinateurs quantiques. Le problème, cependant, est qu'une telle interface est difficile à créer car les aimants sont généralement destructeurs de la supraconductivité. Mais un matériau capable à la fois de ferromagnétisme et de supraconductivité pourrait fournir un moyen de créer cette interface.

"Nous travaillons sur l'utilisation de l'interface atomique pour stabiliser la supraconductivité et le ferromagnétisme en même temps", a déclaré Li. "La coexistence de ces deux phénomènes est rare en physique, et cela débloquera certainement plus d'excitation." + Explorer plus loin

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