La mine de crayon ordinaire possède des propriétés extraordinaires lorsqu’elle est réduite en couches aussi fines qu’un atome. Une seule feuille de graphite, aussi fine qu’un atome, appelée graphène, ne représente qu’une infime fraction de la largeur d’un cheveu humain. Au microscope, le matériau ressemble à un grillage d'atomes de carbone liés dans un réseau hexagonal.
Malgré ses proportions minimes, les scientifiques ont découvert au fil des années que le graphène est exceptionnellement résistant. Et lorsque le matériau est empilé et tordu selon des contorsions spécifiques, il peut adopter un comportement électronique surprenant.
Les physiciens du MIT ont découvert une autre propriété surprenante du graphène :lorsqu'il est empilé en cinq couches, selon un motif rhomboédrique, le graphène prend un état "multiferroïque" très rare, dans lequel le matériau présente à la fois un magnétisme non conventionnel et un type exotique de comportement électronique. , que l'équipe a inventé la ferro-valleytricité.
"Le graphène est un matériau fascinant", déclare Long Ju, chef d'équipe et professeur adjoint de physique au MIT. "Chaque couche que vous ajoutez vous donne essentiellement un nouveau matériau. Et maintenant, c'est la première fois que nous voyons une ferro-valléetricité et un magnétisme non conventionnel dans cinq couches de graphène. Mais nous ne voyons pas cette propriété dans une, deux, trois, ou quatre couches."
Cette découverte pourrait aider les ingénieurs à concevoir des dispositifs de stockage de données à très faible consommation et haute capacité pour les ordinateurs classiques et quantiques.
"Le fait d'avoir des propriétés multiferroïques dans un seul matériau signifie que, si l'écriture d'un disque dur magnétique permettait d'économiser de l'énergie et du temps, vous pourriez également stocker le double de la quantité d'informations par rapport aux appareils conventionnels", explique Ju.
Son équipe rapporte sa découverte dans un article paru dans Nature. . Les co-auteurs du MIT incluent l'auteur principal Tonghang Han, ainsi que Zhengguang Lu, Tianyi Han et Liang Fu; avec les collaborateurs de l'Université Harvard, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang et Hongkun Park; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national pour la science des matériaux au Japon.
Un matériau ferroïque présente un comportement coordonné dans ses propriétés électriques, magnétiques ou structurelles. Un aimant est un exemple courant de matériau ferroïque :ses électrons peuvent se coordonner pour tourner dans la même direction sans champ magnétique externe. En conséquence, l’aimant pointe spontanément vers une direction préférée dans l’espace.
D'autres matériaux peuvent être ferroïques par différents moyens. Mais seule une poignée d’entre eux se sont révélés multiferroïques, un état rare dans lequel plusieurs propriétés peuvent se coordonner pour présenter plusieurs états préférés. Dans les multiferroïques conventionnels, ce serait comme si, en plus du fait que l'aimant pointe dans une direction, la charge électrique se déplaçait également dans une direction indépendante de la direction magnétique.
Les matériaux multiferroïques présentent un intérêt pour l’électronique car ils pourraient potentiellement augmenter la vitesse et réduire le coût énergétique des disques durs. Les disques durs magnétiques stockent les données sous forme de domaines magnétiques, essentiellement des aimants microscopiques qui sont lus comme un 1 ou un 0, selon leur orientation magnétique.
Les aimants sont commutés par un courant électrique, qui consomme beaucoup d'énergie et ne peut pas fonctionner rapidement. Si un dispositif de stockage pouvait être fabriqué avec des matériaux multiferroïques, les domaines pourraient être commutés par un champ électrique plus rapide et de puissance beaucoup plus faible. Ju et ses collègues étaient curieux de savoir si un comportement multiferroïque émergerait dans le graphène.
La structure extrêmement fine du matériau constitue un environnement unique dans lequel les chercheurs ont découvert des interactions quantiques autrement cachées. En particulier, Ju se demandait si le graphène afficherait un comportement multiferroïque et coordonné entre ses électrons lorsqu'ils seraient disposés dans certaines conditions et configurations.
"Nous recherchons des environnements dans lesquels les électrons sont ralentis, dans lesquels leurs interactions avec le réseau d'atomes environnant sont faibles, de sorte que leurs interactions avec d'autres électrons puissent se produire", explique Ju. "C'est à ce moment-là que nous avons une chance d'observer des comportements collectifs intéressants des électrons."
L’équipe a effectué quelques calculs simples et a découvert qu’un comportement coordonné entre les électrons devrait émerger dans une structure de cinq couches de graphène empilées selon un motif rhomboédrique. (Pensez à cinq grillages, empilés et légèrement décalés de telle sorte que, vue du haut, la structure ressemble à un motif de losanges.)
"Dans cinq couches, les électrons se trouvent dans un environnement de réseau où ils se déplacent très lentement, de sorte qu'ils peuvent interagir efficacement avec d'autres électrons", explique Ju. "C'est à ce moment-là que les effets de corrélation électronique commencent à dominer, et qu'ils peuvent commencer à se coordonner en certains ordres ferroïques préférés."
Les chercheurs se sont ensuite rendus en laboratoire pour voir s’ils pouvaient réellement observer le comportement multiferroïque du graphène à cinq couches. Dans leurs expériences, ils ont commencé avec un petit bloc de graphite, dont ils ont soigneusement exfolié des flocons individuels. Ils ont utilisé des techniques optiques pour examiner chaque flocon, en recherchant spécifiquement des flocons à cinq couches, disposés naturellement selon un motif rhomboédrique.
"Dans une certaine mesure, la nature fait la magie", a déclaré Han, auteur principal et étudiant diplômé. "Et nous pouvons regarder tous ces flocons et dire lesquels ont cinq couches, dans cet empilement rhomboédrique, ce qui devrait vous donner cet effet de ralentissement des électrons."
L’équipe a isolé plusieurs flocons à cinq couches et les a étudiés à des températures juste au-dessus du zéro absolu. Dans de telles conditions ultra-froides, tous les autres effets, tels que les troubles induits thermiquement au sein du graphène, devraient être atténués, permettant ainsi l'émergence d'interactions entre les électrons. Les chercheurs ont mesuré la réponse des électrons à un champ électrique et à un champ magnétique, et ont découvert qu'en effet, deux ordres ferroïques, ou ensembles de comportements coordonnés, émergeaient.
La première propriété ferroïque était un magnétisme non conventionnel :les électrons coordonnaient leur mouvement orbital, comme des planètes tournant dans la même direction. (Dans les aimants conventionnels, les électrons coordonnent leur « spin » :ils tournent dans la même direction, tout en restant relativement fixes dans l'espace.)
La deuxième propriété ferroïque était liée à la « vallée » électronique du graphène. Dans tout matériau conducteur, il existe certains niveaux d’énergie que les électrons peuvent occuper. Une vallée représente l’état d’énergie le plus bas dans lequel un électron peut naturellement s’établir. Il s’avère qu’il existe deux vallées possibles dans le graphène. Normalement, les électrons n'ont aucune préférence pour l'une ou l'autre vallée et s'installent de manière égale dans les deux.
Mais dans le graphène à cinq couches, l’équipe a découvert que les électrons commençaient à se coordonner et préféraient s’installer dans une vallée plutôt que dans l’autre. Ce deuxième comportement coordonné indiquait une propriété ferroïque qui, combinée au magnétisme non conventionnel des électrons, donnait à la structure un état multiferroïque rare.
"Nous savions que quelque chose d'intéressant se produirait dans cette structure, mais nous ne savions pas exactement quoi, jusqu'à ce que nous la testions", explique Lu, co-premier auteur, postdoctorant dans le groupe de Ju. "C'est la première fois que nous voyons une ferro-valléetronique, et aussi la première fois que nous voyons une coexistence de ferro-valléetronique avec un ferro-aimant non conventionnel."
L’équipe a montré qu’elle pouvait contrôler les deux propriétés ferroïques à l’aide d’un champ électrique. Ils envisagent que, si les ingénieurs pouvaient incorporer du graphène à cinq couches ou des matériaux multiferroïques similaires dans une puce mémoire, ils pourraient, en principe, utiliser le même champ électrique de faible puissance pour manipuler les électrons du matériau de deux manières plutôt qu'une, et efficacement. doublez les données qui pourraient être stockées sur une puce par rapport aux multiferroïques classiques.
Bien que cette vision soit loin d'être une réalisation pratique, les résultats de l'équipe innovent dans la recherche de dispositifs électroniques, magnétiques et Valleytronic meilleurs et plus efficaces.
Plus d'informations : Long Ju, Multiferroïcité orbitale dans le graphène rhomboédrique pentacouche, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06572-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06572-w
Informations sur le journal : Nature
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.
