Depuis des décennies, les scientifiques étudient le potentiel des matériaux bidimensionnels pour transformer notre monde. Les matériaux 2D n’ont qu’une seule couche d’atomes d’épaisseur. En leur sein, les particules subatomiques comme les électrons ne peuvent se déplacer que dans deux dimensions. Cette simple restriction peut déclencher un comportement électronique inhabituel, conférant aux matériaux des propriétés « exotiques » telles que des formes bizarres de magnétisme, de supraconductivité et d'autres comportements collectifs parmi les électrons, qui pourraient tous être utiles dans les domaines de l'informatique, de la communication, de l'énergie et dans d'autres domaines.

Mais les chercheurs supposent généralement que ces propriétés 2D exotiques n’existent que dans des feuilles monocouches ou des piles courtes. Les versions dites « en vrac » de ces matériaux, avec leurs structures atomiques 3D plus complexes, devraient se comporter différemment.

C'est du moins ce qu'ils pensaient.

Dans un article publié le 19 juillet dans Nature , une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Washington rapporte qu'il est possible d'imprégner le graphite (le matériau 3D principal présent dans les crayons n° 2) de propriétés physiques similaires à celles de son homologue 2D, le graphène. Non seulement cette avancée était inattendue, mais l’équipe pense également que son approche pourrait être utilisée pour tester si des types similaires de matériaux en vrac peuvent également acquérir des propriétés de type 2D. Si tel est le cas, les feuilles 2D ne seront pas la seule source permettant aux scientifiques d’alimenter les révolutions technologiques. Les matériaux 3D en vrac pourraient être tout aussi utiles.

"L'empilement d'une seule couche sur une seule couche - ou de deux couches sur deux couches - est depuis plusieurs années au centre de la découverte d'une nouvelle physique dans les matériaux 2D. Dans ces approches expérimentales, c'est là que de nombreuses propriétés intéressantes émergent", a déclaré l'auteur principal Matthew Yankowitz, professeur adjoint de physique et de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW. "Mais que se passe-t-il si vous continuez à ajouter des couches ? Finalement, cela doit s'arrêter, n'est-ce pas ? C'est ce que suggère l'intuition. Mais dans ce cas, l'intuition est fausse. Il est possible de mélanger des propriétés 2D dans des matériaux 3D."

L'équipe, qui comprend également des chercheurs de l'Université d'Osaka et de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon, a adapté une approche couramment utilisée pour sonder et manipuler les propriétés des matériaux 2D :empiler des feuilles 2D ensemble selon un petit angle de torsion. Yankowitz et ses collègues ont placé une seule couche de graphène sur un mince cristal de graphite massif, puis ont introduit un angle de torsion d'environ 1 degré entre le graphite et le graphène. Ils ont détecté des propriétés électriques nouvelles et inattendues, non seulement au niveau de l'interface torsadée, mais également au plus profond du graphite massif.

L'angle de torsion est essentiel pour générer ces propriétés, a déclaré Yankowitz, qui est également membre du corps professoral de l'UW Clean Energy Institute et de l'UW Institute for Nano-Engineered Systems. Un angle de torsion entre des feuilles 2D, comme deux feuilles de graphène, crée ce qu'on appelle un motif de moiré, qui modifie le flux de particules chargées comme les électrons et induit des propriétés exotiques dans le matériau.

Dans les expériences menées par l'UW avec le graphite et le graphène, l'angle de torsion a également induit un motif de moiré, avec des résultats surprenants. Même si une seule feuille de graphène au sommet du cristal massif était tordue, les chercheurs ont découvert que les propriétés électriques de l'ensemble du matériau différaient nettement de celles du graphite typique. Et lorsqu'ils ont activé un champ magnétique, les électrons situés au plus profond du cristal de graphite ont adopté des propriétés inhabituelles similaires à celles des électrons à l'interface torsadée.

Essentiellement, l’interface graphène-graphite torsadée est devenue inextricablement mélangée au reste du graphite en vrac.

"Bien que nous générions le motif de moiré uniquement à la surface du graphite, les propriétés résultantes s'étendaient à travers tout le cristal", a déclaré le co-auteur principal Dacen Waters, chercheur postdoctoral en physique à l'UW.

Pour les feuilles 2D, les motifs de moiré génèrent des propriétés qui pourraient être utiles pour l'informatique quantique et d'autres applications. L'induction de phénomènes similaires dans les matériaux 3D ouvre la voie à de nouvelles approches pour étudier les états inhabituels et exotiques de la matière et comment les faire sortir du laboratoire et les intégrer dans notre vie quotidienne.

"Le cristal entier prend cet état 2D", a déclaré le co-auteur principal Ellis Thompson, doctorant en physique à l'UW. "Il s'agit d'une façon fondamentalement nouvelle d'affecter le comportement des électrons dans un matériau massif."

Yankowitz et son équipe pensent que leur approche consistant à générer un angle de torsion entre le graphène et un cristal de graphite massif pourrait être utilisée pour créer des hybrides 2D-3D de ses matériaux frères, notamment le ditellurure de tungstène et le pentatelluride de zirconium. Cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle approche pour repenser les propriétés des matériaux en vrac conventionnels à l'aide d'une seule interface 2D.

"Cette méthode pourrait devenir un terrain de jeu très riche pour étudier de nouveaux phénomènes physiques passionnants dans des matériaux aux propriétés mixtes 2D et 3D", a déclaré Yankowitz.

Plus d'informations : Matthew Yankowitz, Systèmes de moiré multidimensionnels de couches minces graphitiques torsadées, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06290-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3

Informations sur le journal : Nature

Fourni par l'Université de Washington