Deux grilles hexagonales, qui reflètent individuellement la structure du carbone joint en feuilles de graphène, créent des motifs répétitifs lorsqu'elles sont tournées l'une par rapport à l'autre. Crédit :Paul Chaikin avec des modifications par Bailey Bedford
Le carbone n'est pas l'élément le plus brillant, ni le plus réactif, ni le plus rare. Mais c'est l'un des plus polyvalents.
Le carbone est l'épine dorsale de la vie sur terre et les combustibles fossiles qui ont résulté de la disparition de la vie ancienne. Le carbone est l'ingrédient essentiel pour transformer le fer en acier, qui sous-tend les technologies allant des épées médiévales aux gratte-ciel et aux sous-marins. Et des fibres de carbone solides et légères sont utilisées dans les voitures, les avions et les éoliennes. Même le carbone seul est extraordinairement adaptable :c'est le seul ingrédient (entre autres) des diamants, des buckyballs et du graphite (le matériau utilisé pour fabriquer la mine de crayon).
Cette dernière forme, le graphite, est à première vue la plus banale, mais ses fines couches abritent une richesse de physique peu commune. La recherche sur des feuilles individuelles de graphite d'une épaisseur d'atome, appelées graphène, a démarré après 2004 lorsque les scientifiques ont mis au point un moyen fiable de le produire (en utilisant du ruban adhésif de tous les jours pour séparer les couches à plusieurs reprises). En 2010, les premières expériences démontrant la richesse quantique du graphène ont valu à deux chercheurs le prix Nobel de physique.
Ces dernières années, le graphène n'a cessé de donner. Les chercheurs ont découvert que l'empilement de couches de graphène deux ou trois à la fois (appelées respectivement graphène bicouche ou graphène tricouche) et la torsion des couches les unes par rapport aux autres ouvrent un nouveau territoire fertile à explorer pour les scientifiques. La recherche sur ces feuilles de graphène empilées ressemble au Far West, avec l'attrait de trouver de l'or et l'incertitude d'un territoire inexploré.
Des chercheurs de JQI et du Condensed Matter Theory Center (CMTC) de l'Université du Maryland, dont les boursiers JQI Sankar Das Sarma et Jay Sau et d'autres, sont occupés à créer la base de physique théorique qui sera une carte de ce nouveau paysage. Et il y a beaucoup à cartographier; les phénomènes dans le graphène vont du magnétisme familier à des choses plus exotiques comme l'étrange métallicité, différentes versions de l'effet Hall quantique et l'effet Pomeranchuk, chacun impliquant des électrons se coordonnant pour produire des comportements uniques. L'une des veines les plus prometteuses pour les trésors scientifiques est l'apparition de la supraconductivité (flux électrique sans perte) dans le graphène empilé.
"Voici un système où presque toutes les phases quantiques intéressantes de la matière que les théoriciens pourraient imaginer apparaissent dans un seul système car l'angle de torsion, la densité de porteurs et la température sont réglés dans un seul échantillon dans une seule expérience", explique Das Sarma, qui est aussi le directeur du CMTC. "Cela ressemble à de la magie ou à de la science-fiction, sauf que cela se produit tous les jours dans au moins dix laboratoires dans le monde."
La richesse et la diversité des comportements électriques dans les empilements de graphène ont inspiré une ruée vers la recherche. La réunion de mars 2021 de l'American Physical Society comprenait 13 sessions abordant les sujets du graphène ou des bicouches torsadées, et Das Sarma a organisé une conférence virtuelle d'une journée en juin pour que les chercheurs discutent du graphène torsadé et des recherches connexes inspirées par le sujet. Le sujet du graphène empilé est largement représenté dans les revues scientifiques, et le serveur de préimpression en ligne arXiv compte plus de 2 000 articles publiés sur le « graphène bicouche », près de 1 000 depuis 2018.
De manière peut-être surprenante, la richesse des possibilités de recherche quantique du graphène est liée à sa simplicité physique.
Le graphène est une feuille en nid d'abeille répétitive avec un atome de carbone résidant à chaque coin. Les atomes de carbone se tiennent fortement les uns aux autres, ce qui rend les imperfections du motif rares. Chaque atome de carbone apporte un électron qui peut se déplacer librement entre les atomes, et les courants électriques traversent très bien les feuilles résultantes. De plus, le graphène est léger, a une résistance à la traction plus de 300 fois supérieure à celle de l'acier et absorbe exceptionnellement bien la lumière. Ces fonctionnalités le rendent pratique à utiliser et il est également facile à obtenir.
La structure pure et cohérente du graphène est une excellente incarnation de l'idéal physique d'un matériau solide bidimensionnel. Cela en fait le terrain de jeu idéal pour comprendre comment la physique quantique se joue dans le matériau sans que les chercheurs aient à se soucier des complications du désordre supplémentaire qui se produit dans la plupart des matériaux. Il existe alors une variété de nouvelles propriétés qui sont déverrouillées en empilant des couches de graphène les unes sur les autres. Chaque couche peut être tournée (par ce que les scientifiques appellent un "angle de torsion") ou décalée par rapport au motif hexagonal de ses voisins.
Les propriétés structurelles et électriques du graphène facilitent la modification du paysage quantique que les électrons vivent dans une expérience, offrant aux chercheurs plusieurs options pour personnaliser ou ajuster les propriétés électriques du graphène. La combinaison de ces éléments de base a déjà donné une multitude de résultats différents, et ils n'ont pas fini d'expérimenter.
Une floraison "magique"
Dans le monde quantique des électrons du graphène, la façon dont les couches se superposent est importante. Lorsque les feuilles adjacentes d'une bicouche sont tordues les unes par rapport aux autres, certains atomes de la feuille supérieure se retrouvent presque juste au-dessus de leur voisin correspondant tandis qu'à d'autres endroits, les atomes se retrouvent loin (à l'échelle atomique) de tout atome de l'autre feuille . Ces différences forment des motifs géants et répétitifs similaires à la distribution des atomes dans la feuille unique mais sur une échelle beaucoup plus longue, comme le montre l'image en haut de l'histoire et dans le visuel interactif ci-dessous.
Chaque changement d'angle modifie également l'échelle du motif plus large qui forme le paysage quantique à travers lequel les électrons voyagent. Les environnements quantiques formés par divers motifs répétitifs (ou l'absence de toute organisation) sont l'une des principales raisons pour lesquelles les électrons se comportent différemment dans divers matériaux; en particulier, l'environnement quantique d'un matériau dicte les interactions que subissent les électrons. Ainsi, chaque minuscule torsion d'une couche de graphène ouvre un tout nouveau monde de possibilités électriques.
"Cette torsion est vraiment un nouveau bouton de réglage qui était absent avant la découverte de ces matériaux 2D", explique Fengcheng Wu, qui a travaillé sur la recherche sur le graphène avec Das Sarma en tant que postdoc JQI et CMTC et collabore maintenant avec lui en tant que professeur à Wuhan. Université en Chine. "En physique, nous n'avons pas trop de boutons de réglage. Nous avons la température, la pression, le champ magnétique et le champ électrique. Maintenant, nous avons un nouveau bouton de réglage, ce qui est très important. Et cet angle de torsion offre également de nouvelles possibilités d'étudier. physique."
Les chercheurs ont découvert qu'à un petit angle de torsion spécial (environ 1,1 degré) - appelé de manière fantaisiste "l'angle magique" - l'environnement est parfait pour créer des interactions fortes qui changent radicalement ses propriétés. Lorsque cet angle précis est atteint, les électrons ont tendance à se regrouper autour de certaines zones du graphène, et de nouveaux comportements électriques apparaissent soudainement comme s'ils étaient convoqués avec la fanfare d'un magicien dramatique. Le graphène à angle magique se comporte comme un isolant mal conducteur dans certaines circonstances et, dans d'autres cas, va à l'extrême opposé d'être un supraconducteur, un matériau qui transporte l'électricité sans aucune perte d'énergie.
La découverte du graphène à angle magique et du fait qu'il a certains comportements quantiques similaires à un supraconducteur à haute température a été la percée de l'année 2018 de Physics World. Les supraconducteurs ont de nombreuses utilisations potentielles intéressantes, comme la révolution des infrastructures énergétiques et la fabrication de trains maglev efficaces. Trouver un supraconducteur pratique à température ambiante a été un Saint Graal pour les scientifiques.
La découverte d'une nouvelle forme prometteuse de supraconductivité et d'une pléthore d'autres bizarreries électriques, toutes avec un nouveau bouton pratique pour jouer avec, sont des développements significatifs, mais la chose la plus excitante pour les physiciens est toutes les nouvelles questions que les découvertes ont soulevées. Das Sarma a étudié de nombreux aspects du graphène en couches, ce qui a donné lieu à plus de 15 articles sur le sujet depuis 2019 ; il dit que deux des questions qui l'intéressent le plus sont comment le graphène devient supraconducteur et comment il devient magnétique.
"Diverses multicouches de graphène s'avèrent être un terrain de jeu plus riche pour la physique que tout autre système de matière condensée ou atomique connu - l'occurrence de la supraconductivité, du magnétisme, de l'isolant corrélé, du métal étrange ici est couplée à une topologie non triviale sous-jacente, fournissant une interaction entre interaction, structure de bande et topologie unique et sans précédent », déclare Das Sarma. "Le sujet devrait rester longtemps à la pointe de la recherche."
Étranges compagnons de lit
Les scientifiques connaissent depuis longtemps la supraconductivité et le magnétisme, mais le graphène n'est pas là où ils s'attendaient à les trouver. Trouver les deux individuellement a été une surprise, mais les scientifiques ont également découvert que les deux phénomènes se produisaient simultanément dans certaines expériences.
Dans une feuille de graphène, un atome de carbone se trouve au coin de chaque hexagone. Crédit :Paul Chaikin avec des modifications par Bailey Bedford
La supraconductivité et le magnétisme sont généralement des antagonistes, de sorte que leur présence ensemble dans une pile de graphène suggère qu'il se passe quelque chose d'inhabituel. Des chercheurs, comme Das Sarma, espèrent que découvrir quelles interactions conduisent à ces phénomènes dans le graphène leur donnera une meilleure compréhension de la physique sous-jacente et leur permettra peut-être de découvrir davantage de matériaux aux propriétés exotiques et utiles.
Un indice sur le trésor qui attend peut-être d'être découvert sont les mesures des propriétés électriques du graphène bicouche torsadé, qui ressemblent aux comportements observés dans certains supraconducteurs à haute température. Cela suggère que le graphène pourrait être crucial pour résoudre les mystères entourant la supraconductivité à haute température.
Les indices actuels indiquent que les particularités des interactions électroniques sont la clé pour comprendre le sujet. La supraconductivité nécessite que les électrons s'apparient, de sorte que les interactions qui entraînent l'appariement dans les empilements de graphène sont naturellement intéressantes.
Dans un article publié dans Physical Review B , Das Sarma, Wu et Euyheon Hwang, qui était auparavant chercheur au JQI et est maintenant professeur à l'Université Sungkyunkwan en Corée du Sud, ont proposé que ce qui lie les paires d'électrons dans le graphène bicouche torsadé puisse être étonnamment banal. Ils pensent que le mécanisme d'appariement pourrait être le même que celui des supraconducteurs les mieux compris. Mais ils pensent aussi que l'origine conventionnelle peut entraîner des paires non conventionnelles.
Leur analyse suggère que ce ne sont pas seulement les interactions que les électrons ont entre eux qui sont renforcées à l'angle magique, mais aussi les interactions de l'électron avec les vibrations des atomes de carbone. Les vibrations, appelées phonons, sont la version mécanique quantique du son et d'autres vibrations dans les matériaux.
Dans les supraconducteurs les mieux connus, ce sont les phonons qui lient les électrons en paires. Dans ces supraconducteurs, les électrons associés doivent avoir des valeurs opposées de leur spin, une propriété quantique liée à la façon dont les particules quantiques s'orientent dans un champ magnétique. Mais la théorie de l'équipe suggère que dans le graphène, ce mécanisme d'appariement traditionnel peut non seulement apparier des électrons avec des spins opposés, mais aussi apparier des électrons avec le même spin. Leur description de la méthode d'appariement fournit une explication possible pour aider à comprendre la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé et les matériaux à base de graphène plus généralement.
"La supraconductivité non conventionnelle est très recherchée en physique, car elle est exotique en soi et peut également trouver des applications dans l'informatique quantique topologique", explique Wu. "Notre théorie fournit un mécanisme conventionnel vers la supraconductivité non conventionnelle."
Plus récemment, Das Sarma, Sau, Wu et Yang-Zhi Chou, qui est chercheur postdoctoral JQI et CMTC, ont collaboré pour développer un outil pour aider les scientifiques à comprendre une variété de piles de graphène. Un article sur cette recherche a récemment été accepté dans Physical Review Letters. Ils ont créé un cadre théorique pour explorer la façon dont les électrons se comportent sur une grille hexagonale. Ils ont été inspirés par des expériences sur le graphène tricouche torsadé à angle magique. Le graphène tricouche torsadé a la couche intermédiaire tordue par rapport aux couches supérieure et inférieure, comme un sandwich au fromage avec la tranche tordue de sorte que les coins dépassent. Ce sandwich au graphène a attiré l'attention car il héberge la supraconductivité à une température plus élevée que la version à deux piles.
Le modèle théorique de l'équipe fournit une description du comportement des électrons dans un monde quantique particulier. En l'utilisant sur le cas du graphène tricouche torsadé, ils ont montré que l'appariement inhabituel d'électrons avec le même spin pouvait dominer le comportement des électrons et être la source de la supraconductivité du graphène tricouche torsadé.
Ce nouvel outil fournit un point de départ pour étudier d'autres expériences sur le graphène. Et la façon dont le mécanisme d'appariement identifié influence les électrons pourrait être importante dans les discussions futures sur le rôle du magnétisme dans les expériences sur le graphène.
Le magnétisme dans le graphène empilé est son propre mystérieux tour de magie. Le magnétisme ne se trouve pas dans le graphite ou les couches simples de graphène, mais apparaît d'une manière ou d'une autre lorsque les piles s'alignent. C'est particulièrement remarquable parce que la supraconductivité et le magnétisme ne peuvent normalement pas coexister dans un matériau comme ils apparaissent dans les empilements de graphène.
"Cet état supraconducteur non conventionnel du graphène tricouche torsadé peut résister à un champ magnétique important, une propriété rarement observée dans d'autres matériaux supraconducteurs connus", déclare Chou.
Dans un autre article de Physical Review B , Das Sarma et Wu ont abordé l'énigme de la présence simultanée de la supraconductivité et du magnétisme dans le graphène bicouche torsadé - un système comme le graphène bicouche mais où la torsion se situe entre deux paires de feuilles de graphène alignées (pour un total de quatre feuilles). Cette construction avec des couches supplémentaires a attiré l'attention car elle crée un environnement quantique plus sensible qu'une bicouche de base à un champ électrique appliqué à travers la pile, donnant aux chercheurs une plus grande capacité à ajuster la supraconductivité et le magnétisme et à les observer dans différentes situations quantiques.
Dans l'article, l'équipe fournit une explication de la source du magnétisme et de la manière dont un champ électrique appliqué pourrait produire le changement observé dans le comportement magnétique d'une pile. Ils pensent que le magnétisme se produit d'une manière complètement différente de celle des aimants plus courants, comme les aimants de réfrigérateur à base de fer. Dans un aimant en fer, les atomes de fer individuels ont chacun leur propre petit champ magnétique. Mais l'équipe pense que dans le graphène, les atomes de carbone ne deviennent pas magnétiques. Au lieu de cela, ils pensent que le magnétisme provient des électrons qui se déplacent librement sur toute la feuille.
Leur théorie suggère que le graphène à double couche devient magnétique en raison de la façon dont les électrons se séparent mieux dans l'environnement quantique particulier. Cette poussée supplémentaire pourrait amener les électrons à coordonner leurs champs magnétiques individuels pour créer un champ plus grand.
La coordination des spins électroniques pourrait également être pertinente pour l'appariement des électrons et la formation de la supraconductivité potentielle. Le spin peut être imaginé comme une flèche qui veut s'aligner avec n'importe quel champ magnétique environnant. La supraconductivité échoue normalement lorsque le magnétisme est suffisamment fort pour déchirer les deux spins opposés. Mais les deux spins étant alignés dans les paires expliqueraient les deux phénomènes coexistant pacifiquement dans les expériences sur le graphène.
Autour du prochain virage dans la rivière
Bien que ces théories servent de guide aux chercheurs qui avancent dans le territoire inexploré de la recherche sur le graphène, elles sont loin d'être une carte définitive. Lors de la conférence organisée par Das Sarma en juin, un chercheur a présenté de nouvelles observations de supraconductivité dans trois feuilles de graphène empilées sans aucune torsion. Ces piles sont décalées de sorte qu'aucune des couches ne se superpose. chaque hexagone a certains de ses atomes de carbone placés au centre des hexagones des autres couches. L'expérience a révélé deux zones distinctes de supraconductivité, dont l'une est perturbée par le magnétisme et l'autre non. Cela suggère que la torsion n'est peut-être pas l'ingrédient magique qui produit tous les phénomènes exotiques, mais elle soulève également de nouvelles questions, offre une voie pour identifier les comportements électroniques créés ou améliorés par la torsion "magique", et offre une nouvelle opportunité. pour étudier les sources fondamentales de la physique sous-jacente.
Inspirés par ce travail et les observations précédentes du magnétisme dans la même collaboration de Das Sarma, Sau, Wu et Chou ont exploré mathématiquement la manière dont le couplage phonon des électrons pourrait se produire dans ces empilements sans torsion. L'analyse de l'équipe suggère que l'appariement des phonons est le moteur probable des deux types de supraconductivité, l'un se produisant avec des spins correspondants et l'autre avec des spins opposés. Ce travail, dirigé par Chou, a récemment été accepté dans Physical Review Letters et a été choisi comme suggestion des éditeurs PRL.
Ces résultats ne représentent qu'une fraction des travaux sur les expériences de graphène au JQI et au CMTC, et de nombreux autres chercheurs ont abordé des aspects supplémentaires de ce sujet riche. Mais il reste beaucoup à découvrir et à comprendre avant que le sujet du graphène en couches ne soit cartographié et apprivoisé. Ces premières découvertes laissent entendre qu'au fur et à mesure que les chercheurs creusent plus profondément, ils peuvent découvrir de nouvelles voies de recherche représentant une multitude d'opportunités pour comprendre la nouvelle physique et peut-être même développer de nouvelles technologies.
"Les applications sont difficiles à prévoir, mais l'extrême adaptabilité de ces systèmes montrant tant de phases et de phénomènes différents rend probable qu'il pourrait y avoir des applications", a déclaré Das Sarma. "A ce stade, c'est une recherche fondamentale très excitante." Des chercheurs observent la rupture de la symétrie de traduction dans le graphène bicouche torsadé
