Des scientifiques ont capturé le papillon de Hofstadter dans du graphite

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 ont 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’abeille, 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 lieu à différents types de graphite, caractérisés par un ordre d’empilement différent des plans atomiques consécutifs. La majorité du graphite naturel présente un empilement hexagonal, ce qui en fait l’un des matériaux les plus « ordinaires » de la planète.

La structure cristalline du graphite repose sur un motif répétitif, perturbé à la surface du cristal, générant ces états de surface. Comparable à des vagues qui s’atténuent progressivement en pénétrant plus profondément dans le cristal, la manipulation de ces états de surface demeurait jusqu’ici incomprise.

La technologie Van der Waals et la twistronique

La technologie Van der Waals et la twistronique (qui consiste à superposer deux cristaux 2D avec un angle de torsion afin de moduler les propriétés de la structure résultante grâce au motif de moiré formé à leur interface) sont à la pointe de la recherche sur les matériaux 2D.

Aujourd’hui, l’équipe de l’ING, sous la direction du professeur Artem Mishchenko, applique ce motif de moiré pour réguler les états de surface du graphite, dévoilant ainsi la physique remarquable derrière ce matériau.

Le professeur Mishchenko a adapté la technique de la twistronique à un contexte tridimensionnel pour le graphite et a constaté que le potentiel de moiré modifie non seulement les états de surface du graphite, mais influence également le spectre électronique de l’intégralité du bloc de graphite.

Un phénomène de physique quantique révélé par le graphite

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

Le professeur Artem Mishchenko, qui a déjà découvert l’effet Hall quantique en 2,5 dimensions dans le graphite, a déclaré : « Le graphite a donné naissance au célèbre graphène, mais les gens ne s’intéressent normalement pas à cet ‘ancien’ matériau. Et maintenant, même avec nos connaissances accumulées sur le graphite de différents ordres d’empilement et d’alignement au cours des dernières années, nous trouvons encore le graphite très attirant – tellement de choses restent à explorer ».

Ciaran Mullan, l’un des auteurs de l’article, a ajouté : « Notre travail ouvre de nouvelles possibilités pour contrôler les propriétés électroniques par la twistronique non seulement dans les matériaux 2D mais aussi 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 est le résultat de l’interaction entre deux phénomènes de la physique quantique de base – la quantisation de Landau dans les champs magnétiques forts et la confinement quantique, conduisant à un nouveau type d’effet quantique ».

L’équipe continue d’étudier le graphite dans le but d’approfondir leur compréhension de ce matériau qui se révèle étonnamment intéressant.

En synthèse

Les chercheurs de l’Institut National du Graphène ont fait des découvertes étonnantes en explorant le graphite, un matériau antique et pourtant plein de mystères. Leur travail pourrait ouvrir de nouvelles voies pour contrôler les propriétés électroniques dans les matériaux 2D et 3D, élargissant les horizons de la recherche dans le domaine des matériaux.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le graphite ?
Le graphite est un minéral et une des formes allotropiques du carbone. Il est entièrement composé d’atomes de carbone disposés en motif de nid d’abeille.

Qu’est-ce que la twistronique ?
La twistronique est une méthode qui permet de moduler les propriétés d’un matériau en superposant deux cristaux 2D avec un angle de torsion.

Qu’est-ce que l’effet Hall quantique ?
L’effet Hall quantique est un phénomène de la physique quantique qui se produit lorsque des électrons sont confinés dans une interface entre deux différentes couches de matériau et soumis à un champ magnétique.

Que signifie l’observation d’un mélange 2,5-dimensionnel des états de surface et de volume ?
Cela signifie que le motif de moiré n’affecte pas seulement les états de surface du graphite mais aussi ceux du volume du graphite, résultant en un nouveau type d’effet quantique.

Crédit photo : Prof. Jun Yin (co-auteur de l’article)

Cette recherche, publiée dans le dernier numéro de Nature (« Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite »), a étudié les effets des motifs moirés dans le graphite hexagonal massif générés par l’alignement cristallographique avec le nitrure de bore hexagonal.