Les physiciens du MIT et leurs collègues ont mis au point une autoroute à cinq voies pour les électrons, ouvrant la voie à des dispositifs électroniques ultra-efficaces. Ce travail, publié dans le numéro du 9 mai de la revue Science, s’inscrit dans une série de découvertes importantes réalisées par la même équipe au cours de l’année écoulée, impliquant un matériau unique en son genre, semblable à la mine de crayon.
Le matériau à l’origine de cette découverte, connu sous le nom de graphène rhomboédrique à cinq couches, a été découvert il y a deux ans par des physiciens dirigés par Long Ju.
« Nous avons trouvé une mine d’or, et chaque coup de pioche révèle quelque chose de nouveau », déclare le physicien, également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.
Dans un article publié en octobre dernier dans Nature Nanotechnology, Long Ju et ses collègues ont rapporté la découverte de trois propriétés importantes du graphène rhomboédrique. Par exemple, ils ont montré qu’il pouvait être topologique, permettant le mouvement sans entrave des électrons autour du bord du matériau, mais pas à travers le milieu. Cela a abouti à une autoroute, mais nécessitait l’application d’un champ magnétique important, des dizaines de milliers de fois plus fort que le champ magnétique terrestre.
Dans le travail actuel, l’équipe rapporte avoir créé l’autoroute sans aucun champ magnétique.
Fonctionnement
La mine de crayon, ou graphite, est composée de graphène, une seule couche d’atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d’abeilles. Le graphène rhomboédrique est composé de cinq couches de graphène empilées dans un ordre spécifique et chevauchant.
Les chercheurs ont isolé le graphène rhomboédrique grâce à un microscope novateur que Long Ju a construit au MIT en 2021, capable de déterminer rapidement et relativement à moindre coût diverses caractéristiques importantes d’un matériau à l’échelle nanométrique. Le graphène empilé en couches rhomboédriques ne mesure que quelques milliardièmes de mètre d’épaisseur.
Dans le travail actuel, l’équipe a modifié le système original en ajoutant une couche de disulfure de tungstène (WS2). «L’interaction entre le WS2 et le graphène rhomboédrique à cinq couches a abouti à cette autoroute à cinq voies fonctionnant sans champ magnétique», explique encore Long Ju.
Comparaison avec la Supraconductivité
Le phénomène dans le graphène rhomboédrique, permettant aux électrons de voyager sans résistance à zéro champ magnétique, est connu sous le nom d’effet Hall quantique anormal. La plupart des gens sont plus familiers avec la supraconductivité, un phénomène complètement différent qui permet la même chose mais se produit dans des matériaux très différents.
Long Ju note que bien que les supraconducteurs aient été découverts dans les années 1910, il a fallu environ 100 ans de recherche pour amener le système à fonctionner à des températures plus élevées nécessaires pour les applications. «Et le record mondial est encore bien en dessous de la température ambiante», ajoute-t-il.
De même, l’autoroute de graphène rhomboédrique fonctionne actuellement à environ 2 Kelvin, soit -456 Fahrenheit. «Il faudra beaucoup d’efforts pour élever la température, mais en tant que physiciens, notre travail est de fournir des perspectives ; une manière différente de réaliser ce [phénomène]», précise Long Ju.
Une découverte enthousiasmante
Les découvertes concernant le graphène rhomboédrique sont le fruit de recherches minutieuses qui n’étaient pas garanties de réussir. «Nous avons essayé de nombreuses recettes pendant de nombreux mois», déclare Han, «donc c’était très excitant lorsque nous avons refroidi le système à une température très basse et [une autoroute à cinq voies fonctionnant sans champ magnétique] est apparue.»
Long Ju conclut : «C’est très excitant d’être le premier à découvrir un phénomène dans un nouveau système, surtout dans un matériau que nous avons mis au jour.»
Légende illustration : Représentation artistique de l’autoroute des électrons qui peut se former dans le graphène rhomboédrique, un type particulier de graphite (mine de crayon). Crédit : Sampson Wilcox, Laboratoire de recherche en électronique du MIT
Article : « Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene » – DOI: 10.1126/science.adk9749
