Les physiciens et collègues du MIT ont métaphoriquement transformé le graphite, ou mine de crayon, en or en isolant cinq flocons ultrafins empilés dans un ordre spécifique. Le matériau résultant peut ensuite être réglé pour présenter trois propriétés importantes jamais vues auparavant dans le graphite naturel.
"C'est un peu comme un guichet unique", explique Long Ju, professeur adjoint au département de physique du MIT et responsable des travaux rapportés dans la revue Nature Nanotechnology. . "Dans ce cas, nous n'avons jamais réalisé que toutes ces choses intéressantes étaient incorporées dans le graphite."
De plus, dit-il, "Il est très rare de trouver des matériaux capables d'héberger autant de propriétés."
Le graphite est composé de graphène, qui est une seule couche d'atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d'abeille. Le graphène, quant à lui, a fait l’objet d’intenses recherches depuis sa première isolation il y a environ 20 ans. Puis, il y a environ cinq ans, des chercheurs, dont une équipe du MIT, ont découvert que le fait d'empiler des feuilles individuelles de graphène et de les tordre légèrement les unes par rapport aux autres pouvait conférer de nouvelles propriétés au matériau, de la supraconductivité au magnétisme. Le domaine de la « twistronique » était né.
Dans les travaux en cours, "nous avons découvert des propriétés intéressantes sans aucune torsion", explique Ju, qui est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux.
Lui et ses collègues ont découvert que cinq couches de graphène disposées dans un certain ordre permettent aux électrons se déplaçant à l'intérieur du matériau de communiquer entre eux. Ce phénomène, connu sous le nom de corrélation électronique, "est la magie qui rend toutes ces nouvelles propriétés possibles", explique Ju.
Le graphite en vrac – et même des feuilles simples de graphène – sont de bons conducteurs électriques, mais c'est tout. Le matériau isolé par Ju et ses collègues, qu'ils appellent graphène empilé rhomboédrique pentacouche, devient bien plus que la somme de ses parties.
Nouveau microscope
La clé pour isoler le matériau était un nouveau microscope Ju construit au MIT en 2021, capable de déterminer rapidement et à relativement peu de frais une variété de caractéristiques importantes d'un matériau à l'échelle nanométrique. Le graphène empilé rhomboédrique pentacouche n'a que quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur.
Des scientifiques, dont Ju, recherchaient du graphène multicouche empilé dans un ordre très précis, appelé empilement rhomboédrique. Selon Ju, "il y a plus de 10 ordres d'empilement possibles lorsque vous passez à cinq couches. Rhomboédrique n'est que l'un d'entre eux". Le microscope construit par Ju, connu sous le nom de microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion, ou s-SNOM, a permis aux scientifiques d'identifier et d'isoler uniquement les pentacouches dans l'ordre d'empilement rhomboédrique qui les intéressait.
À partir de là, l’équipe a attaché des électrodes à un minuscule sandwich composé de « pain » de nitrure de bore qui protège la « viande » délicate de graphène empilé rhomboédrique pentacouche. Les électrodes leur ont permis de régler le système avec différentes tensions ou quantités d'électricité. Résultat :ils ont découvert l'émergence de trois phénomènes différents en fonction du nombre d'électrons inondant le système.
"Nous avons découvert que le matériau pouvait être isolant, magnétique ou topologique", explique Ju. Ce dernier est quelque peu lié à la fois aux conducteurs et aux isolants. Essentiellement, explique Ju, un matériau topologique permet le mouvement sans entrave des électrons autour des bords d'un matériau, mais pas à travers le milieu. Les électrons se déplacent dans une direction le long d’une « autoroute » située à la limite du matériau, séparée par une médiane qui constitue le centre du matériau. Ainsi, le bord d'un matériau topologique est un conducteur parfait, tandis que le centre est un isolant.
"Notre travail établit le graphène multicouche empilé rhomboédrique comme une plate-forme hautement réglable pour étudier ces nouvelles possibilités de physique topologique et fortement corrélée", concluent Ju et ses co-auteurs.
Outre Ju, les auteurs de l'article sont Tonghang Han et Zhengguang Lu. Han est un étudiant diplômé au Département de physique; Lu est associé postdoctoral au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Les deux sont les co-premiers auteurs de l'article.
Plus d'informations : Tonghang Han et al, Isolants corrélés et isolants Chern dans du graphène pentacouche à empilement rhomboédrique, Nature Nanotechnology (2023). DOI :10.1038/s41565-023-01520-1
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par le laboratoire de recherche sur les matériaux du Massachusetts Institute of Technology
