Des chercheurs du National Graphene Institute (NGI) de l'Université de Manchester ont revisité l'un des matériaux les plus anciens sur Terre, le graphite, et découvert une nouvelle physique qui échappait au domaine depuis des décennies.

Bien qu’il soit entièrement constitué de couches d’atomes de carbone disposées en nid d’abeilles, le graphite naturel n’est pas aussi simple qu’on pourrait le penser. La manière dont ces couches atomiques s'empilent les unes sur les autres peut donner naissance à différents types de graphite, caractérisés par un ordre d'empilement différent de plans atomiques consécutifs.

La majorité du graphite d'apparence naturelle présente un empilement hexagonal, ce qui en fait l'un des matériaux les plus « ordinaires » sur Terre. La structure du cristal de graphite est un motif répétitif. Ce motif est perturbé à la surface du cristal et conduit à ce que l'on appelle des « états de surface », qui sont comme des vagues qui s'estompent lentement à mesure que l'on s'enfonce plus profondément dans le cristal. Mais la façon dont les états de surface peuvent être ajustés dans le graphite n'était pas encore bien comprise.

La technologie Van der Waals et la twistronique (empilage de deux cristaux 2D selon un angle de torsion pour ajuster dans une large mesure les propriétés de la structure résultante, en raison du motif de moiré formé à leur interface) sont les deux domaines principaux de la recherche sur les matériaux 2D. Aujourd'hui, l'équipe de chercheurs du NGI, dirigée par le professeur Artem Mishchenko, utilise un motif de moiré pour ajuster les états de surface du graphite, rappelant un kaléidoscope avec des images en constante évolution lorsque l'on fait tourner la lentille, révélant l'extraordinaire nouvelle physique derrière le graphite.

En particulier, le professeur Mishchenko a étendu la technique twistronique au graphite tridimensionnel et a découvert que le potentiel de moiré ne modifie pas seulement les états de surface du graphite, mais affecte également le spectre électronique de la totalité du cristal de graphite. Tout comme l'histoire bien connue de La Princesse et le Petit pois, la princesse sentait le petit pois à travers les vingt matelas et les vingt édredons. Dans le cas du graphite, le potentiel de moiré au niveau d'une interface alignée pourrait pénétrer à travers plus de 40 couches graphitiques atomiques.

Cette recherche, publiée dans le dernier numéro de Nature , ont étudié les effets des motifs de moiré dans le graphite hexagonal en vrac générés par alignement cristallographique avec du nitrure de bore hexagonal. Le résultat le plus fascinant est l'observation d'un mélange bidimensionnel des états de surface et de masse dans le graphite, qui se manifeste dans un nouveau type d'effet Hall quantique fractal :un papillon de Hofstadter 2,5D.

Le professeur Artem Mishchenko de l'Université de Manchester, qui a déjà découvert l'effet Hall quantique à 2,5 dimensions dans le graphite, a déclaré :« Le graphite a donné naissance au célèbre graphène, mais les gens ne sont généralement pas intéressés par ce « vieux » matériau. Et maintenant, même avec nos connaissances accumulées sur le graphite dans différents ordres d'empilement et d'alignement au cours des dernières années, nous avons toujours trouvé que le graphite était un système très attractif - il y a encore beaucoup à explorer."

Ciaran Mullan, l'un des principaux auteurs de l'article, a ajouté :"Notre travail ouvre de nouvelles possibilités pour contrôler les propriétés électroniques par twistronique, non seulement dans les matériaux 2D mais également dans les matériaux 3D."

Le professeur Vladimir Fal'ko, directeur de l'Institut national du graphène et physicien théoricien au Département de physique et d'astronomie, a ajouté :« L'effet Hall quantique 2,5D inhabituel dans le graphite résulte de l'interaction entre deux phénomènes classiques de physique quantique :la quantification de Landau dans des champs magnétiques puissants et un confinement quantique, conduisant à un autre nouveau type d'effet quantique."

La même équipe poursuit désormais ses recherches sur le graphite pour mieux comprendre ce matériau étonnamment intéressant.

Plus d'informations : Ciaran Mullan et al, Mélange d'états de surface moirée et massifs dans le graphite, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06264-5

Informations sur le journal : Nature

Fourni par l'Université de Manchester