Vous pensez tout savoir sur un matériau ? Essayez de lui donner une tournure, littéralement. C'est l'idée principale d'un domaine émergent de la physique de la matière condensée appelé « twistronique », qui amène les chercheurs à modifier radicalement les propriétés des matériaux 2D, comme le graphène, avec des changements subtils (aussi minimes que passer de 1,1° à 1,2°) dans l'angle. entre les couches empilées.

Il a par exemple été démontré que les couches torsadées de graphène se comportent d'une manière que des feuilles simples ne se comportent pas, notamment en agissant comme des aimants, comme des supraconducteurs électriques ou comme l'opposé d'un supraconducteur, des isolants, le tout en raison de petits changements dans l'angle de torsion entre les feuilles.

En théorie, vous pouvez composer n'importe quelle propriété en tournant un bouton qui modifie l'angle de torsion. Cependant, la réalité n'est pas si simple, explique Cory Dean, physicien de Columbia. Deux couches torsadées de graphène peuvent devenir comme un nouveau matériau, mais la raison exacte pour laquelle ces différentes propriétés se manifestent n'est pas bien comprise, et encore moins quelque chose qui peut encore être entièrement contrôlé.

Dean et son laboratoire ont mis au point une nouvelle technique de fabrication simple qui pourrait aider les physiciens à sonder les propriétés fondamentales des couches torsadées de graphène et d'autres matériaux 2D de manière plus systématique et reproductible. Écrire en Science , ils utilisent de longs « rubans » de graphène, plutôt que des flocons carrés, pour créer des dispositifs offrant un nouveau niveau de prévisibilité et de contrôle sur l'angle de torsion et la déformation.

Les dispositifs en graphène sont généralement assemblés à partir de flocons de graphène de la taille d’un atome et ne mesurant que quelques millimètres carrés. L'angle de torsion qui en résulte entre les feuilles est fixe et les flocons peuvent être difficiles à superposer en douceur.

"Imaginez le graphène comme des morceaux de papier saran :lorsque vous assemblez deux morceaux, vous obtenez de petites rides et bulles aléatoires", explique le postdoctorant Bjarke Jessen, co-auteur de l'article. Ces bulles et rides s’apparentent à des changements dans l’angle de torsion entre les feuilles et à la contrainte physique qui se développe entre les deux et peut provoquer une déformation, une flexion et un pincement aléatoires du matériau. Toutes ces variations peuvent donner lieu à de nouveaux comportements, mais elles sont difficiles à contrôler au sein et entre les appareils.

Les rubans peuvent aider à adoucir les choses. Les nouvelles recherches du laboratoire montrent qu'avec juste une petite poussée de la pointe d'un microscope à force atomique, ils peuvent plier un ruban de graphène en un arc stable qui peut ensuite être placé à plat sur une seconde couche de graphène non incurvée. P>

Le résultat est une variation continue de l'angle de torsion entre les deux feuilles qui s'étend de 0° à 5° sur toute la longueur de l'appareil, avec une tension uniformément répartie sur toute la surface :plus de bulles ou de plis aléatoires à gérer. "Nous n'avons plus besoin de fabriquer 10 appareils distincts avec 10 angles différents pour voir ce qui se passe", a déclaré Maëlle Kapfer, postdoctorante et co-auteure. "Et nous pouvons désormais contrôler la contrainte, ce qui manquait complètement dans les appareils tordus précédents."

L’équipe a utilisé des microscopes spéciaux à haute résolution pour confirmer l’uniformité de leurs appareils. Grâce à ces informations spatiales, ils ont développé un modèle mécanique qui prédit les angles de torsion et les valeurs de déformation simplement en fonction de la forme du ruban incurvé.

Ce premier article visait à caractériser le comportement et les propriétés des rubans de graphène ainsi que d'autres matériaux pouvant être amincis en une seule couche et empilés les uns sur les autres. "Cela a fonctionné avec tous les matériaux 2D que nous avons essayés jusqu'à présent", a noté Dean.

À partir de là, le laboratoire prévoit d’utiliser sa nouvelle technique pour explorer comment les propriétés fondamentales des matériaux quantiques changent en fonction de l’angle de torsion et de la déformation. Par exemple, des recherches antérieures ont montré que deux couches torsadées de graphène agissent comme un supraconducteur lorsque l'angle de torsion est de 1,1.

Cependant, il existe des modèles concurrents pour expliquer les origines de la supraconductivité à ce que l'on appelle « l'angle magique », ainsi que des prédictions d'angles magiques supplémentaires qui ont été jusqu'à présent trop difficiles à stabiliser, a déclaré Dean. Grâce à des appareils constitués de rubans, qui contiennent tous les angles compris entre 0° et 5°, l'équipe peut explorer plus précisément les origines de ce phénomène, et d'autres.

"Ce que nous faisons s'apparente à l'alchimie quantique :prendre un matériau et le transformer en autre chose. Nous disposons désormais d'une plateforme pour explorer systématiquement comment cela se produit", a déclaré Jessen.

Plus d'informations : Maëlle Kapfer et al, Programmation des profils d'angle de torsion et de déformation dans les matériaux 2D, Science (2023). DOI :10.1126/science.ade9995

Informations sur le journal : Sciences

Fourni par l'Université de Columbia