Lorsqu'un conducteur électrique ordinaire, tel qu'un fil métallique, est connecté à une batterie, les électrons du conducteur sont accélérés par le champ électrique créé par la batterie. Lorsqu'ils se déplacent, les électrons entrent fréquemment en collision avec des atomes d'impuretés ou des lacunes dans le réseau cristallin du fil et convertissent une partie de leur énergie de mouvement en vibrations du réseau. L'énergie perdue au cours de ce processus est convertie en chaleur qui peut être ressentie, par exemple, en touchant une ampoule à incandescence.
Alors que les collisions avec les impuretés du réseau se produisent fréquemment, les collisions entre électrons sont beaucoup plus rares. La situation change cependant lorsque le graphène, une seule couche d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeilles, est utilisé à la place d'un fil de fer ou de cuivre commun.
Dans le graphène, les collisions d'impuretés sont rares et les collisions entre électrons jouent le rôle principal. Dans ce cas, les électrons se comportent plutôt comme un liquide visqueux. Par conséquent, des phénomènes d'écoulement bien connus tels que des vortex devraient se produire dans la couche de graphène.
Reportage dans la revue Science , des chercheurs de l'ETH Zurich du groupe de Christian Degen ont réussi pour la première fois à détecter directement des vortex électroniques dans le graphène, à l'aide d'un capteur de champ magnétique à haute résolution.
Les vortex se sont formés dans de petits disques circulaires que Degen et ses collègues avaient attachés au cours du processus de fabrication à une bande conductrice de graphène d'un micromètre de large seulement. Les disques avaient des diamètres différents entre 1,2 et 3 micromètres. Des calculs théoriques suggèrent que des vortex électroniques devraient se former dans les disques les plus petits, mais pas dans les disques plus grands.
Pour rendre les vortex visibles, les chercheurs ont mesuré les minuscules champs magnétiques produits par les électrons circulant à l’intérieur du graphène. À cette fin, ils ont utilisé un capteur de champ magnétique quantique constitué d'un centre dit de lacune d'azote (NV) intégré dans la pointe d'une aiguille en diamant.
Étant un défaut atomique, le centre NV se comporte comme un objet quantique dont les niveaux d'énergie dépendent d'un champ magnétique externe. À l’aide de faisceaux laser et d’impulsions micro-ondes, les états quantiques du centre peuvent être préparés de manière à être extrêmement sensibles aux champs magnétiques. En lisant les états quantiques avec un laser, les chercheurs ont pu déterminer très précisément la force de ces champs.
"En raison des dimensions minuscules de l'aiguille de diamant et de la faible distance de la couche de graphène (seulement environ 70 nanomètres), nous avons pu rendre visibles les courants électroniques avec une résolution inférieure à une centaine de nanomètres", explique Marius Palm, ancien chercheur. doctorat étudiant dans le groupe de Degen. Cette résolution est suffisante pour voir les vortex.
Dans leurs mesures, les chercheurs ont observé un signe caractéristique des tourbillons attendus dans les disques plus petits :une inversion du sens d’écoulement. Alors que dans le transport normal (diffusif) des électrons, les électrons de la bande et du disque circulent dans la même direction, dans le cas d'un vortex, la direction du flux à l'intérieur du disque est inversée. Comme le prédisent les calculs, aucun tourbillon n'a pu être observé dans les disques plus grands.
"Grâce à notre capteur extrêmement sensible et à notre haute résolution spatiale, nous n'avons même pas eu besoin de refroidir le graphène et avons pu mener les expériences à température ambiante", explique Palm. De plus, lui et ses collègues ont détecté non seulement des vortex électroniques, mais également des vortex formés par des porteurs de trous.
En appliquant une tension électrique sous le graphène, ils ont modifié le nombre d’électrons libres de telle sorte que le flux de courant n’était plus transporté par des électrons, mais plutôt par des électrons manquants, également appelés trous. Ce n'est qu'au point de neutralité de charge, où se trouve une concentration faible et équilibrée d'électrons et de trous, que les vortex ont complètement disparu.
"À l'heure actuelle, la détection des vortex électroniques relève de la recherche fondamentale et de nombreuses questions restent encore en suspens", explique Palm. Par exemple, les chercheurs doivent encore comprendre comment les collisions des électrons avec les bordures du graphène influencent le modèle d'écoulement et quels effets se produisent dans des structures encore plus petites.
La nouvelle méthode de détection utilisée par les chercheurs de l'ETH permet également d'examiner de plus près de nombreux autres effets exotiques du transport d'électrons dans les structures mésoscopiques, phénomènes qui se produisent à des échelles de longueur allant de plusieurs dizaines de nanomètres à quelques micromètres.
Plus d'informations : Marius L. Palm et al, Observation des tourbillons actuels dans le graphène à température ambiante, Science (2024). DOI :10.1126/science.adj2167
Informations sur le journal : Sciences
Fourni par l'ETH Zurich
