Deux images de spectroscopie de 200 nm de large d'un échantillon de graphène bicouche torsadé. La gauche représente le réseau triangulaire du matériau moiré, qui a une symétrie triple et peut être tourné de 120 degrés dans n'importe quelle direction sans changer l'image. La deuxième image a été prise à une énergie différente et ne peut maintenant être pivotée que de 180 degrés. L'émergence de rayures reflète cette symétrie de rotation brisée et indique une phase nématique. Crédit :Carmen Rubio-Verdú
Bien que les feuilles torsadées de graphène double bicouche aient été largement étudiées ces dernières années, il manque encore des pièces au puzzle qu'est son diagramme de phase - les différents états fondamentaux non perturbés du système. Écrire en physique de la nature , Carmen Rubio-Verdú et ses collègues ont trouvé une nouvelle pièce de puzzle :une phase nématique électronique.
Décrite pour la première fois dans un autre état de la matière appelé cristal liquide, une phase nématique se produit lorsque les particules d'un matériau rompent une structure autrement symétrique et viennent s'orienter librement les unes avec les autres le long du même axe. Ce phénomène est à la base de l'affichage LCD couramment utilisé dans les téléviseurs et les moniteurs d'ordinateur. Dans une phase nématique électronique, les particules en question sont des électrons, dont le comportement et la disposition dans un matériau peuvent influencer la capacité de ce matériau à conduire un courant électrique dans différentes directions.
"Les données sont incroyables", déclare le co-auteur Rafael Fernandes, physicien théoricien à l'Université du Minnesota, qui a rencontré l'auteur principal Abhay Pasupathy en tant que post-doctorant à Columbia. "Vous pouvez clairement voir qu'il y a une symétrie brisée."
Les symétries brisées produisent souvent de nouveaux effets quantiques, a-t-il expliqué. Le graphène bicouche torsadé a généralement une symétrie triple - peu importe le nombre de fois que vous faites pivoter une image de celui-ci à 120 degrés, il reste le même. En utilisant la microscopie à effet tunnel et la spectroscopie pour enregistrer les propriétés électroniques des atomes individuels, Rubio-Verdú et ses collègues ont enregistré du graphène torsadé à différentes tensions. "Ce que nous voyons, ce sont des rayures", a-t-elle déclaré. Ce sont des électrons qui se réalignent et brisent la symétrie de l'échantillon, même si le réseau atomique sous-jacent reste le même. Dans cette phase nématique observée, l'image ne peut maintenant être retournée qu'à 180 degrés.
"Ces phases résultent d'interactions électron-électron", a déclaré Rubio-Verdú, boursière Marie Skłodowska-Curie Actions qui étudie les phases électroniques dans des matériaux moirés comme le graphène torsadé avec Pasupathy. "Trouver une nouvelle phase comme celle-ci est passionnant car cela ajoute à notre compréhension holistique des systèmes à base de graphène."
Des expériences antérieures suggéraient qu'une telle phase électronique corrélée existait dans le graphène torsadé, mais il n'était pas clair si cela était réellement le résultat d'une contrainte à travers le matériau torsadé. La contrainte peut également inciter les électrons à se déplacer, mais il s'agit d'un effet mécanique plutôt qu'électronique, a expliqué Rubio-Verdú. Dans cette expérience, l'équipe a utilisé un échantillon de graphène torsadé qui était relativement grand mais avait une déformation extrêmement faible - seulement 0,03 %. "Nous regardons des centaines de nanomètres et l'effet persiste", a déclaré Rubio-Verdú. "Il s'agit d'une véritable phase nématique électronique."
Théoriquement, une telle phase pourrait exister dans n'importe quel matériau à base de graphène. Dans des travaux futurs, l'équipe prévoit d'explorer comment la phase nématique influence la capacité du graphène bicouche torsadé à conduire un courant électrique.
Comprendre la suite complète du comportement électronique dans les matériaux moirés comme le graphène torsadé pourrait un jour aider les physiciens à mieux comprendre une autre phase quantique, la supraconductivité, dans laquelle un courant électrique se déplace à travers un matériau avec une résistance nulle. Cette phase, cependant, se produit actuellement à des températures très basses - même les soi-disant supraconducteurs à haute température, utilisés dans des appareils comme les appareils IRM, doivent être maintenus à près de 100 ° F en dessous de zéro. Bien que les matériaux moirés comme le graphène torsadé soient étudiés à des températures proches de -450 °F, ils partagent des similitudes avec les supraconducteurs à haute température, a déclaré Rubio-Verdú, comme les états supraconducteurs et isolants qui dépendent du dopage électronique.
Le domaine pose encore des questions fondamentales sur la nature des matériaux moirés, mais la découverte d'une phase nématique électronique dans le graphène bicouche torsadé n'est qu'une pièce de plus de ce puzzle désormais mis en place. "Nous constatons une nématicité électronique dans une autre classe de composés", a déclaré Fernandes. "Alors que les gens découvrent toutes sortes de façons différentes de tordre différentes couches, nous voulons maintenant comprendre ce qui est commun et robuste." L'observation des états corrélés et de la supraconductivité dans le graphène tricouche torsadé
