Effets quantiques inattendus dans le graphène naturel à double couche

Une équipe de recherche internationale dirigée par l’Université de Göttingen a détecté des effets quantiques inédits dans des études de haute précision du graphène naturel à double couche et les a interprétés avec l’Université du Texas à Dallas en utilisant leurs travaux théoriques.

Cette recherche fournit de nouvelles informations sur l’interaction entre les porteurs de charge et les différentes phases, et contribue à la compréhension des processus impliqués. La LMU de Munich et le National Institute for Materials Science de Tsukuba, au Japon, ont également participé à ces recherches. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.

Le nouveau matériau qu’est le graphène naturel, une couche très mince d’atomes de carbone, a été découvert pour la première fois par une équipe de recherche britannique en 2004. Entre autres propriétés inhabituelles, le graphène est connu pour sa conductivité électrique extraordinairement élevée. Si deux couches individuelles de graphène naturel sont tordues l’une par rapport à l’autre selon un angle très spécifique, le système devient même supraconducteur, c’est-à-dire qu’il conduit l’électricité sans aucune résistance, et présente d’autres effets quantiques passionnants tels que le magnétisme. Cependant, la production de ces doubles couches de graphène torsadé a jusqu’à présent nécessité un effort technique accru.

Cette nouvelle étude a utilisé la forme naturelle du graphène naturel double couche, qui ne nécessite aucune fabrication complexe. Dans un premier temps, l’échantillon est isolé d’un morceau de graphite en laboratoire à l’aide d’un simple ruban adhésif. Pour observer les effets de la mécanique quantique, l’équipe de Göttingen applique ensuite un champ électrique élevé perpendiculairement à l’échantillon : la structure électronique du système change et une forte accumulation de porteurs de charge d’énergie similaire se produit.

À des températures juste au-dessus du zéro absolu de moins 273,15 degrés Celsius, les électrons du graphène peuvent interagir entre eux – et une variété de phases quantiques complexes émergent de manière totalement inattendue. Par exemple, les interactions entraînent l’alignement des spins des électrons, ce qui rend le matériau magnétique sans autre influence extérieure. En modifiant le champ électrique, les chercheurs peuvent changer en permanence la force des interactions des porteurs de charge dans le graphène à double couche. Dans certaines conditions, la liberté de mouvement des électrons peut être tellement restreinte qu’ils forment leur propre réseau électronique et ne peuvent plus contribuer au transport de la charge en raison de leur interaction répulsive mutuelle. Le système est alors électriquement isolant.

« Les recherches futures peuvent maintenant se concentrer sur l’étude d’autres états quantiques« , expliquent le professeur Thomas Weitz et la doctorante Anna Seiler, de la faculté de physique de l’université de Göttingen. « Pour accéder à d’autres applications, par exemple de nouveaux systèmes informatiques tels que les ordinateurs quantiques, les chercheurs devront trouver comment obtenir ces résultats à des températures plus élevées. Cependant, un avantage majeur du système actuel développé dans notre nouvelle recherche réside dans la simplicité de la fabrication des matériaux. »

Crédit photo : Christoph Hohmann (MCQST Cluster)

Original publication: Anna M. Seiler et al. Quantum cascade of correlated phases in trigonally warped bi-layergraphene. Nature 2022. Doi: 10.1038/s41586-022-04937-1. Text also available via preprint: https://arxiv.org/abs/2111.06413