Le graphène, une feuille d’atomes de carbone d’une épaisseur d’un atome, est un matériau qui ne cesse de surprendre les scientifiques. Malgré sa finesse extrême, il est exceptionnellement résistant et présente des comportements électroniques surprenants lorsqu’il est empilé et tordu de certaines manières. Une nouvelle propriété du graphène a été découverte par des physiciens du MIT.
Une découverte surprenante
Les chercheurs ont découvert que lorsque le graphène est empilé en cinq couches, dans un motif rhomboédrique, il prend un état très rare, dit « multiferroïque« , où le matériau présente à la fois un magnétisme non conventionnel et un comportement électronique exotique, que l’équipe a baptisé « ferro-valléytricité« .
« Le graphène est un matériau fascinant », commente le chef de l’équipe, Long Ju, professeur adjoint de physique au MIT. « Chaque couche que vous ajoutez vous donne essentiellement un nouveau matériau. Et maintenant, c’est la première fois que nous voyons la ferro-valléytricité, et le magnétisme non conventionnel, dans cinq couches de graphène. Mais nous ne voyons pas cette propriété dans une, deux, trois ou quatre couches. »
Implications pour le stockage de données
La découverte pourrait aider les ingénieurs à concevoir des dispositifs de stockage de données à ultra-faible consommation et à haute capacité pour les ordinateurs classiques et quantiques.
Toujours selon le professeur Ju, « Avoir des propriétés multiferroïques dans un matériau signifie que, si cela pourrait économiser de l’énergie et du temps pour écrire un disque dur magnétique, vous pourriez également stocker le double de la quantité d’informations par rapport aux dispositifs conventionnels ».
En synthèse
L’équipe a montré qu’elle pouvait contrôler les deux propriétés ferroïques à l’aide d’un champ électrique. Ils estiment que si les ingénieurs peuvent incorporer du graphène à cinq couches ou des matériaux multiferroïques similaires dans une puce mémoire, ils pourraient, en principe, utiliser le même champ électrique de faible puissance pour manipuler les électrons du matériau de deux façons au lieu d’une, et doubler effectivement les données pouvant être stockées sur une puce par rapport aux matériaux multiferroïques conventionnels.
Bien que cette vision soit encore loin d’une réalisation pratique, les résultats de l’équipe ouvrent de nouvelles perspectives dans la recherche de dispositifs électroniques, magnétiques et électroniques de vallée plus performants et plus efficaces.
« Nous savions que quelque chose d’intéressant se produirait dans cette structure, mais nous ne savions pas exactement quoi, jusqu’à ce que nous la testions », explique à son tour Zhengguang Lu, coauteur. « C’est la première fois que nous voyons une ferro-valleytronique, et aussi la première fois que nous voyons la coexistence d’une ferro-valleytronique avec un ferro-aimant non conventionnel. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le graphène ?
Le graphène est une feuille d’atomes de carbone d’une épaisseur d’un atome. Il est exceptionnellement résistant et présente des comportements électroniques surprenants lorsqu’il est empilé et tordu de certaines manières.
Quelle est la nouvelle propriété du graphène découverte par les physiciens du MIT ?
Les physiciens du MIT ont découvert que lorsque le graphène est empilé en cinq couches, dans un motif rhomboédrique, il prend un état très rare, dit «multiferroïque», où le matériau présente à la fois un magnétisme non conventionnel et un comportement électronique exotique, que l’équipe a baptisé « ferro-valléytricité ».
Qu’est-ce que la ferro-valléytricité ?
La ferro-valléytricité est un comportement électronique exotique découvert pour la première fois dans le graphène empilé en cinq couches. Il s’agit d’une coordination des électrons qui préfèrent s’installer dans une vallée énergétique plutôt que dans l’autre.
Quelles sont les implications de cette découverte pour le stockage de données ?
La découverte pourrait aider les ingénieurs à concevoir des dispositifs de stockage de données à ultra-faible consommation et à haute capacité pour les ordinateurs classiques et quantiques. En effet, les propriétés multiferroïques du graphène pourraient permettre de stocker le double de la quantité d’informations par rapport aux dispositifs conventionnels.
Qu’est-ce qui rend le graphène si fascinant ?
Le graphène est fascinant car chaque couche ajoutée donne essentiellement un nouveau matériau. De plus, il présente des propriétés étonnantes, comme une résistance exceptionnelle malgré sa finesse, et des comportements électroniques surprenants lorsqu’il est empilé et tordu de certaines manières.
Légende illustration principale : Lorsqu’il est empilé en cinq couches selon un schéma rhomboédrique, le graphène adopte un état « multiferroïque » rare, dans lequel les électrons du matériau (illustrés ici par des sphères) présentent deux états électroniques préférés : un magnétisme non conventionnel (représenté par des orbites autour de chaque électron) et une « vallée », ou une préférence pour l’un des deux états d’énergie (représentés en rouge par rapport au bleu). Ces résultats pourraient permettre de mettre au point des dispositifs de mémoire magnétique plus puissants. Credit : Sampson Wilcox, RLE
Cette découverte a été publiée dans la revue Nature. Les coauteurs du MIT sont Tonghang Han, auteur principal, Zhengguang Lu, Tianyi Han et Liang Fu, ainsi que Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang et Hongkun Park, collaborateurs de l’université de Harvard, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi, de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
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