Une collaboration dirigée par la TU/e et l'Institut catalan de nanosciences et de nanotechnologies et impliquant des chercheurs du monde entier a la réponse et le pourquoi, et les résultats ont été publiés dans la revue Science Advances. .
Les électrons transportent l'énergie électrique, tandis que l'énergie vibratoire est transportée par les phonons. Comprendre comment ils interagissent les uns avec les autres dans certains matériaux, comme dans un sandwich de deux couches de graphène, aura des implications pour les futurs dispositifs optoélectroniques.
Des travaux récents ont révélé que les couches de graphène tordues les unes par rapport aux autres selon un petit « angle magique » peuvent agir comme un parfait isolant ou supraconducteur. Mais la physique des interactions électron-phonon reste un mystère. Dans le cadre d'une collaboration internationale mondiale, le chercheur Klaas-Jan Tielrooij de la TU/e a dirigé une étude sur les interactions électron-phonon dans les couches de graphène. Et ils ont fait une découverte surprenante.
Qu'a dit l'électron au phonon entre deux couches de graphène ? Cela pourrait ressembler au début d’un mème de physique avec une punchline hilarante à suivre. Mais selon Klaas-Jan Tielrooij, ce n'est pas le cas. Il est professeur agrégé au Département de physique appliquée et d'enseignement scientifique de la TU/e et responsable de la recherche sur les nouveaux travaux publiés dans Science Advances. .
"Nous avons cherché à comprendre comment les électrons et les phonons se "parlent" au sein de deux couches de graphène torsadées", explique Tielrooij.
Les électrons sont les porteurs de charge et d'énergie bien connus associés à l'électricité, tandis qu'un phonon est lié à l'émergence de vibrations entre les atomes dans un cristal atomique.
"Les phonons ne sont pas des particules comme les électrons, ce sont des quasi-particules. Pourtant, leur interaction avec les électrons dans certains matériaux et la façon dont ils affectent la perte d'énergie des électrons sont un mystère depuis un certain temps", note Tielrooij.
Mais pourquoi serait-il intéressant d’en apprendre davantage sur les interactions électron-phonon ? "Ces interactions peuvent avoir un effet majeur sur les propriétés électroniques et optoélectroniques des dispositifs fabriqués à partir de matériaux comme le graphène, que nous verrons davantage à l'avenir."
Tielrooij et ses collaborateurs, basés dans le monde entier en Espagne, en Allemagne, au Japon et aux États-Unis, ont décidé d'étudier les interactions électron-phonon dans un cas très particulier :au sein de deux couches de graphène où les couches sont légèrement mal alignées. .
Le graphène est une couche bidimensionnelle d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeilles qui possède plusieurs propriétés impressionnantes telles qu'une conductivité électrique élevée, une flexibilité élevée et une conductivité thermique élevée, et il est également presque transparent.
En 2018, le prix Physics World Breakthrough of the Year a été décerné à Pablo Jarillo-Herrero et à ses collègues du MIT pour leurs travaux pionniers sur la twistronique, où les couches adjacentes de graphène pivotent très légèrement les unes par rapport aux autres pour modifier les propriétés électroniques du graphène. .
"En fonction de la façon dont les couches de graphène sont mises en rotation et dopées avec des électrons, des résultats contrastés sont possibles. Pour certains dopages, les couches agissent comme un isolant, ce qui empêche le mouvement des électrons. Pour d'autres dopages, le matériau se comporte comme un supraconducteur, un matériau à résistance nulle qui permet le mouvement des électrons sans dissipation", explique Tielrooij.
Mieux connu sous le nom de graphène bicouche torsadé, ces résultats se produisent selon ce que l’on appelle l’angle magique de désalignement, qui est d’un peu plus d’un degré de rotation. "Le désalignement entre les couches est infime, mais la possibilité d'un supraconducteur ou d'un isolant est un résultat étonnant."
Pour leur étude, Tielrooij et l'équipe voulaient en savoir plus sur la façon dont les électrons perdent de l'énergie dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, ou MATBG en abrégé.
Pour y parvenir, ils ont utilisé un matériau constitué de deux feuilles de graphène monocouche (chacune de 0,3 nanomètre d'épaisseur), placées l'une sur l'autre et mal alignées l'une par rapport à l'autre d'environ un degré.
Ensuite, en utilisant deux techniques de mesure optoélectroniques, les chercheurs ont pu sonder les interactions électron-phonon en détail et ont fait des découvertes stupéfiantes.
"Nous avons observé que l'énergie disparaît très rapidement dans le MATBG - cela se produit à l'échelle de la picoseconde, soit un millionième d'un millionième de seconde !" dit Tielrooij.
Cette observation est beaucoup plus rapide que dans le cas d’une seule couche de graphène, notamment à des températures ultra-froides (notamment en dessous de -73°C). "À ces températures, il est très difficile pour les électrons de perdre de l'énergie au profit des phonons, et pourtant cela se produit dans le MATBG. Nous avons observé que l'énergie disparaît très rapidement dans le MATBG - cela se produit à l'échelle de la picoseconde, qui est un millionième d'un- millionième de seconde."
Alors, pourquoi les électrons perdent-ils de l’énergie si rapidement par interaction avec les phonons ? Eh bien, il s'avère que les chercheurs ont découvert un tout nouveau processus physique.
"La forte interaction électron-phonon est un processus physique complètement nouveau et implique ce qu'on appelle la diffusion Umklapp électron-phonon", ajoute Hiroaki Ishizuka de l'Institut de technologie de Tokyo au Japon, qui a développé la compréhension théorique de ce processus avec Leonid Levitov du Massachusetts. Institut de technologie aux États-Unis
La diffusion Umklapp entre les phonons est un processus qui affecte souvent le transfert de chaleur dans les matériaux, car il permet de transférer des quantités relativement importantes de quantité de mouvement entre les phonons.
"Nous constatons constamment les effets de la diffusion phonon-phonon d'Umklapp, car elle affecte la capacité des matériaux (non métalliques) à température ambiante à conduire la chaleur. Pensez simplement à un matériau isolant sur le manche d'un pot, par exemple", explique Ishizuka. "Cependant, la diffusion Umklapp électron-phonon est rare. Ici, cependant, nous avons observé pour la première fois comment les électrons et les phonons interagissent via la diffusion Umklapp pour dissiper l'énergie électronique. La forte interaction électron-phonon est un processus physique complètement nouveau et implique ce qu'on appelle Diffusion Umklapp électron-phonon."
Tielrooij et ses collaborateurs ont peut-être réalisé la plupart des travaux alors qu'il était basé en Espagne à l'Institut catalan de nanosciences et de nanotechnologies (ICN2), mais comme le note Tielrooij. "La collaboration internationale s'est avérée essentielle à la réalisation de cette découverte."
Alors, comment tous les collaborateurs ont-ils contribué à la recherche ? Tielrooij déclare :« Tout d'abord, nous avions besoin de techniques de fabrication avancées pour fabriquer les échantillons MATBG. Mais nous avions également besoin d'une compréhension théorique approfondie de ce qui se passe dans les échantillons. De plus, des configurations de mesure optoélectroniques ultrarapides étaient également nécessaires pour mesurer ce qui se passe dans les échantillons. . La collaboration internationale s'est avérée essentielle à la réalisation de cette découverte."
Tielrooij et l'équipe ont reçu les échantillons tordus à angle magique du groupe de Dmitri Efetov de la Ludwig-Maximilians-Universität de Munich, qui a été le premier groupe en Europe capable de fabriquer de tels échantillons et qui a également effectué des mesures de photomélange, tandis que des travaux théoriques au MIT dans le Les États-Unis et l'Institut de technologie de Tokyo au Japon se sont révélés essentiels au succès de la recherche.
À l'ICN2, Tielrooij et les membres de son équipe, Jake Mehew et Alexander Block, ont utilisé des équipements de pointe, notamment la microscopie photovoltaïque à résolution temporelle, pour effectuer leurs mesures de la dynamique électron-phonon dans les échantillons.
Alors, à quoi ressemble l’avenir de ces matériaux ? Selon Tielrooij, il ne faut pas s'attendre à quelque chose de trop tôt.
"Comme ce matériau n'est étudié que depuis quelques années, nous sommes encore loin de voir le graphène bicouche torsadé sous un angle magique avoir un impact sur la société."
Mais il y a beaucoup à explorer sur la perte d'énergie dans le matériau.
"Les découvertes futures pourraient avoir des implications sur la dynamique du transport de charge, ce qui pourrait avoir des implications sur les futurs dispositifs optoélectroniques ultrarapides", explique Tielrooij. "En particulier, ils seraient très utiles à basses températures, ce qui rend le matériau adapté aux applications spatiales et quantiques."
Les recherches menées par Tielrooij et l'équipe internationale constituent une véritable avancée en ce qui concerne la façon dont les électrons et les phonons interagissent les uns avec les autres.
Mais il faudra attendre encore un peu pour comprendre pleinement les conséquences de ce que l'électron a dit au phonon dans le sandwich au graphène.
Plus d'informations : Jake Dudley Mehew et al, Refroidissement électron-phonon ultrarapide assisté par Umklapp dans du graphène bicouche torsadé à angle magique, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adj1361
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Université de technologie d'Eindhoven
