Les chercheurs suisses ont récemment réalisé une découverte fascinante dans le domaine de la physique des matériaux. En utilisant un capteur magnétique à haute résolution, ils ont réussi à détecter pour la première fois des tourbillons d’électrons dans le graphène, une couche unique d’atomes de carbone disposés en treillis hexagonal.
Le comportement des électrons dans les conducteurs ordinaires
Lorsqu’un conducteur électrique ordinaire, tel qu’un fil métallique, est connecté à une batterie, les électrons dans le conducteur sont accélérés par le champ électrique créé par la batterie. En se déplaçant, les électrons entrent fréquemment en collision avec des atomes d’impuretés ou des lacunes dans le réseau cristallin du fil, convertissant une partie de leur énergie cinétique en vibrations du réseau. L’énergie perdue dans ce processus est transformée en chaleur, perceptible par exemple en touchant une ampoule incandescente.
Bien que les collisions avec les impuretés du réseau soient fréquentes, les collisions entre électrons sont beaucoup plus rares. Cependant, la situation change lorsque le graphène, une seule couche d’atomes de carbone disposés en treillis hexagonal, est utilisé à la place d’un fil de fer ou de cuivre ordinaire. Dans le graphène, les collisions avec les impuretés sont rares et les collisions entre électrons jouent un rôle prépondérant. Dans ce cas, les électrons se comportent davantage comme un liquide visqueux, et des phénomènes de flux bien connus, tels que les tourbillons, devraient se produire dans la couche de graphène.
Détection des tourbillons d’électrons dans le graphène
Dans un article publié dans la revue scientifique Science, des chercheurs du groupe de Christian Degen à l’ETH Zurich ont réussi à détecter directement des tourbillons d’électrons dans le graphène pour la première fois, en utilisant un capteur de champ magnétique à haute résolution.
Les tourbillons se sont formés dans de petits disques circulaires que Degen et ses collègues avaient fixés lors du processus de fabrication à une bande conductrice de graphène d’un micromètre de large. Les disques avaient des diamètres différents, compris entre 1,2 et 3 micromètres. Les calculs théoriques suggéraient que des tourbillons d’électrons devraient se former dans les disques plus petits, mais pas dans les plus grands.
Microscope de détection quantique hautement sensible
Pour rendre les tourbillons visibles, les chercheurs ont mesuré les minuscules champs magnétiques produits par les électrons circulant dans le graphène. À cette fin, ils ont utilisé un capteur de champ magnétique quantique constitué d’un centre de vacance d’azote (NV) intégré dans la pointe d’une aiguille en diamant. En tant que défaut atomique, le centre NV se comporte comme un objet quantique dont les niveaux d’énergie dépendent d’un champ magnétique externe.
En utilisant des faisceaux laser et des impulsions micro-ondes, les états quantiques du centre peuvent être préparés de manière à être maximaux sensibles aux champs magnétiques. En lisant les états quantiques avec un laser, les chercheurs ont pu déterminer la force de ces champs avec une grande précision.
« Grâce aux dimensions minuscules de l’aiguille en diamant et à la petite distance par rapport à la couche de graphène – seulement environ 70 nanomètres – nous avons pu rendre les courants d’électrons visibles avec une résolution de moins de cent nanomètres », explique Marius Palm, ancien doctorant dans le groupe de Degen. Cette résolution est suffisante pour voir les tourbillons.
Inversion de la direction du flux
Dans leurs mesures, les chercheurs ont observé un signe caractéristique des tourbillons attendus dans les disques plus petits : une inversion de la direction du flux. Alors que dans le transport électronique normal (diffusif), les électrons dans la bande et le disque circulent dans la même direction, dans le cas d’un tourbillon, la direction du flux à l’intérieur du disque est inversée. Comme prévu par les calculs, aucun tourbillon n’a pu être observé dans les disques plus grands.
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« Grâce à notre capteur extrêmement sensible et à notre haute résolution spatiale, nous n’avons même pas eu besoin de refroidir le graphène et avons pu mener les expériences à température ambiante », déclare Marius Palm.
De plus, lui et ses collègues ont non seulement détecté des tourbillons d’électrons, mais aussi des tourbillons formés par des porteurs de trous. En appliquant une tension électrique sous le graphène, ils ont modifié le nombre d’électrons libres de telle manière que le flux de courant n’était plus porté par des électrons, mais par des électrons manquants, également appelés trous. Ce n’est qu’au point de neutralité de charge, où il y a une petite concentration équilibrée d’électrons et de trous, que les tourbillons ont complètement disparu.
Perspectives de recherche
« À ce stade, la détection des tourbillons d’électrons relève de la recherche fondamentale, et de nombreuses questions restent ouvertes », ajoute Marius Palm.
Par exemple, les chercheurs doivent encore comprendre comment les collisions des électrons avec les bords du graphène influencent le schéma de flux, et quels effets se produisent dans des structures encore plus petites.
La nouvelle méthode de détection utilisée par les chercheurs de l’ETH permet également d’examiner de plus près de nombreux autres effets exotiques de transport électronique dans les structures mésoscopiques – des phénomènes qui se produisent à des échelles de longueur allant de plusieurs dizaines de nanomètres à quelques micromètres.
Légende illustration : En utilisant un capteur de champ magnétique (flèche rouge) à l’intérieur d’une aiguille de diamant, les chercheurs de l’ETH ont imagé des tourbillons d’électrons dans une couche de graphène (bleu). (crédit : Chaoxin Ding)
Palm M, Ding C, Huxter W, Taniguchi T., Watanabe K, Degen C: Observation of current whirlpools in graphene at room temperature. Science, 25. April 2024, DOI: 10.1126/science.adj2167
