Visualisation artistique des excitations collectives interbandes lancées et se propageant dans le graphène bicouche torsadé. Crédit :Matteo Ceccanti.
Le graphène bicouche torsadé est un matériau bidimensionnel (2D) à base de carbone comprenant deux couches de graphène. Bien que de nombreux scientifiques aient récemment commencé à explorer son potentiel de supraconductivité et de magnétisme, jusqu'à présent, très peu d'études optiques l'ont examiné.
Le graphène bicouche torsadé peut présenter des propriétés très différentes de celles des couches simples de graphène, en particulier lorsque les deux couches qui le composent sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un petit angle, d'environ 1 degré. L'étude et l'exploration de ces propriétés pourraient être très utiles, car elles pourraient à terme améliorer la compréhension actuelle de la supraconductivité et faciliter son utilisation pour le développement de nouveaux dispositifs.
Des chercheurs de l'Institut des sciences photoniques de Barcelone et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), ainsi que d'autres instituts du monde entier, ont récemment mené une étude visant à sonder les excitations collectives du graphène bicouche torsadé à une résolution spatiale de 20 nm, en utilisant une technique optique connue sous le nom de microscopie optique en champ proche dans l'infrarouge moyen. Leurs efforts, décrits dans un article publié dans Nature Physics , a conduit à l'observation d'excitations collectives interbandes dans le matériau.
"Le graphène bicouche torsadé est intéressant pour les expériences optiques, notamment en raison des bandes plates combinées à la première bande d'énergie excitée qui est également relativement plate", a déclaré Niels Hesp, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Comme prédit dans des travaux théoriques antérieurs, cela permet une forte transition interbande aux énergies infrarouges, ce qui la rend accessible même à température ambiante. Nos expériences visaient à étudier les excitations collectives qui se forment à partir de ces transitions optiques."
La microscopie optique en champ proche est une technique avancée qui peut être utilisée pour examiner les propriétés optiques sur la surface d'un matériau à une résolution d'environ 20 nm, ce qui est bien en dessous de la limite de diffraction, le point auquel les systèmes optiques commencent mal à imager les objets (c'est-à-dire , les images deviennent floues). Avec cette technique, la lumière est couplée dans un échantillon via une pointe très pointue, qui fournit également l'élan nécessaire pour lancer des plasmons interbandes.
Structure de bande de graphène bicouche torsadé avec un angle de torsion de 1,35 °, identique à l'appareil principal à l'étude. Les bandes d'énergie rouges sont connues comme les bandes plates typiques du TBG, tandis que les bandes bleues sont les bandes éloignées. Les excitations collectives sont formées par les fortes transitions interbandes entre les bandes distantes et plates (flèches noires). Crédit :Hesp et al.
"Grâce à une longue collaboration avec le groupe de Pablo Jarrillo-Herrero au MIT, nous avons eu un accès rapide à leurs échantillons", a déclaré Hesp. "En fait, l'un des échantillons qu'ils ont fabriqués pour nous en 2016 a été le premier à montrer l'état isolant de Mott. La première observation de plasmons interbandes dans le graphène bicouche torsadé a été une surprise lors de l'exécution des mesures, car nous ne savions pas vraiment quoi à prévoir."
Les mesures optiques recueillies par Hesp et ses collègues ont dévoilé un mode de propagation du plasmon dans le graphène bicouche torsadé à charge neutre qui est nettement différent du plasmon intrabande observé dans le graphène monocouche. Dans leur article, l'équipe suggère qu'il pourrait s'agir d'un plasmon interbande associé aux transitions optiques entre les minibandes provenant de la structure de super-réseau moiré du matériau.
"Notre travail montre que le graphène bicouche torsadé est également intéressant pour les études optiques, d'autant plus qu'il s'agit du premier système où la propagation de plasmons interbandes a été observée avec un facteur de qualité raisonnable", a déclaré Hesp. "Cette excitation se produit même dans un état non dopé, ce qui signifie qu'aucune tension externe n'est requise. Alors que les applications dans le monde réel sont loin devant, elle constitue un autre élément constitutif de la" boîte à outils plasmonique ", qui travaille vers des circuits optiques intégrés à l'échelle nanométrique."
Les observations fournissent de nouvelles informations précieuses sur les propriétés distinctives du graphène bicouche torsadé, un matériau supraconducteur prometteur. À l'avenir, leurs travaux pourraient ainsi contribuer au développement de divers nouveaux dispositifs optiques et circuits intégrés.
"Comme les structures de graphène torsadées forment une classe de matériaux hébergeant de nombreux phénomènes fascinants, nous venons tout juste de commencer le voyage", déclare le professeur Koppens, responsable de l'étude. "Nous visons maintenant à accéder aux états corrélés aux températures cryogéniques avec l'optique. Pour cela, nous avons installé un nouveau type de microscope à champ proche pouvant fonctionner jusqu'à 5K, dans lequel nous étudions l'interaction de la lumière avec les électrons en forte interaction. Cette technique s'avère très sensible aux propriétés électroniques du TBG, et pourrait potentiellement pointer vers les mécanismes physiques des phénomènes supraconducteurs et magnétiques."
© 2021 Réseau Science X Des chercheurs observent la rupture de la symétrie de traduction dans le graphène bicouche torsadé
