Des physiciens de l'Université de Duisburg-Essen et leurs partenaires ont découvert que de minuscules feuilles de graphène peuvent devenir des électro-aimants sous l'effet du rayonnement infrarouge. L'étude est publiée dans la revue Nature Communications .

L’échantillon lui-même est invisible à l’œil humain :sur une surface de 2 x 2 millimètres se trouvent de minuscules disques, chacun ayant un diamètre de 1,2 micromètres, soit seulement un centième de la largeur d’un cheveu humain moyen. Ils sont constitués de deux couches de graphène, soit deux feuilles d’atomes de carbone superposées comme des crêpes. Leurs électrons se déplacent librement dans le matériau et peuvent être influencés par les champs électromagnétiques.

Le groupe de travail du professeur Martin Mittendorff de la physique expérimentale de l'université de Duisburg-Essen (UDE) étudie depuis des années les ondes dans les systèmes électroniques, appelés plasmons, au sein du centre de recherche collaboratif 1242. Dans ce cas, l’équipe a utilisé un rayonnement térahertz (THz) polarisé circulairement dans la gamme infrarouge pour exciter les électrons. "Vous pouvez considérer les feuilles de graphène comme des seaux remplis d'eau :les électrons", explique Mittendorff. "Si vous remuez l'intérieur du seau avec un bâton, des courants circulaires commencent à se former."

Par analogie, les porteurs de charge excités par le rayonnement THz en forme de tire-bouchon se déplacent selon un mouvement circulaire dans les disques et agissent ainsi comme de minuscules électro-aimants. Au cours de l'expérience, des champs magnétiques de l'ordre de 0,5 Tesla ont été générés ; cela équivaut à environ 10 000 fois le champ magnétique terrestre. La fréquence du plasmon peut être ajustée via le diamètre du disque de graphène. En termes d'effet, les minuscules disques sont comparables à de puissants aimants permanents, mais ils peuvent être allumés ou éteints en quelques picosecondes, en d'autres termes, en un billionième de seconde.

Bien que les expériences constituent une recherche fondamentale, il existe des applications potentielles réalistes :en utilisant des disques de graphène, les physiciens ont développé des champs magnétiques optiquement commutés qui peuvent être utilisés pour influencer d'autres matériaux à proximité. Dans les points quantiques qui éclairent les écrans, par exemple, la couleur de la lumière peut être ajustée. Quant aux matériaux magnétocaloriques, ils changent de température en fonction du champ magnétique appliqué.

Cette publication est le résultat d'une collaboration entre le groupe de travail Mittendorff et des partenaires nationaux et internationaux :les disques de graphène ont été fabriqués à l'Université du Maryland (États-Unis) et les mesures ont été effectuées au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Plus d'informations : Jeong Woo Han et al, Champs magnétiques transitoires forts induits par des plasmons pilotés par THz dans des disques de graphène, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43412-x

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Université de Duisburg-Essen