Le graphène, une feuille de carbone d’un atome d’épaisseur, possède des propriétés remarquables. Lorsque plusieurs couches de graphène sont empilées et légèrement désalignées, elles révèlent des identités exotiques et des comportements fascinants.
Une équipe internationale de chercheurs a développé un « règle quantique » pour explorer ces propriétés étranges et potentiellement révolutionner la mesure de la résistance électrique.
La matière quantique moirée et ses applications potentielles
En fonction de l’angle de torsion entre les couches de graphène, la matière quantique moirée peut générer des champs magnétiques, devenir supraconductrice sans résistance électrique ou, au contraire, se transformer en isolant parfait.
Joseph A. Stroscio et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont collaboré avec une équipe internationale pour développer une «règle quantique» permettant de mesurer et d’explorer les propriétés étranges de ces matériaux tordus.
Les chercheurs ont également étudié comment les niveaux d’énergie des électrons dans les couches de graphène changent lorsqu’ils modifient la force d’un champ magnétique externe puissant. Cette mesure est essentielle pour la conception et la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs.
Nouvelle règle quantique pour étudier les propriétés magnétiques
En faisant varier le champ magnétique appliqué aux couches de graphène moirées, les chercheurs du NIST ont découvert une nouvelle règle quantique en jeu. La zone encerclée par l’orbite circulaire des électrons multipliée par le champ magnétique appliqué ne correspondait plus à une valeur fixe. Au lieu de cela, le produit de ces deux nombres avait changé en fonction de la magnétisation des bicouches.
Cette découverte promet d’éclairer la compréhension des propriétés magnétiques émergentes des électrons confinés dans des feuilles de graphène tordues.
«En utilisant la nouvelle règle quantique pour étudier comment les orbites circulaires varient avec le champ magnétique, nous espérons révéler les propriétés magnétiques subtiles de ces matériaux quantiques moirés», a déclaré Joseph Stroscio.
Applications potentielles dans la microélectronique et la métrologie
Les propriétés de la matière quantique moirée peuvent être choisies en sélectionnant un angle de torsion et un nombre de couches atomiques spécifiques. Les nouvelles mesures pourraient permettre de mieux comprendre comment optimiser les propriétés magnétiques et électroniques des matériaux quantiques pour diverses applications dans la microélectronique et les domaines connexes.
Par exemple, les supraconducteurs ultraminces sont déjà connus pour être des détecteurs extrêmement sensibles de photons uniques, et les supraconducteurs quantiques moirés figurent parmi les plus minces. L’équipe du NIST s’intéresse également à une autre application : sous certaines conditions, la matière quantique moirée pourrait fournir un nouvel étalon de résistance électrique plus facile à utiliser.
En synthèse
Les chercheurs ont développé une «règle quantique» pour mesurer et explorer les propriétés étranges de la matière quantique moirée, obtenue en empilant et en tordant légèrement des couches de graphène.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que le graphène et la matière quantique moirée ?
Le graphène est une feuille de carbone d’un atome d’épaisseur possédant des propriétés remarquables. La matière quantique moirée est obtenue en empilant et en tordant légèrement des couches de graphène, ce qui révèle des identités exotiques et des comportements fascinants.
2. Comment les chercheurs ont développé une « règle quantique » ?
Les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel pour mesurer les niveaux d’énergie des électrons dans les couches de graphène moirées soumises à un champ magnétique externe. Ils ont découvert une nouvelle règle quantique qui reflète les propriétés magnétiques des matériaux quantiques moirés.
3. Quelles sont les applications potentielles de la matière quantique moirée ?
Les propriétés de la matière quantique moirée pourraient être optimisées pour diverses applications dans la microélectronique et les domaines connexes, comme les détecteurs de photons uniques ultra-sensibles ou un nouvel étalon de résistance électrique plus facile à utiliser.
4. Comment ont-ils créé un dispositif de matière quantique moirée ?
Fereshte Ghahari, un physicien de l’Université George Mason, a fabriqué un dispositif de matière quantique moirée en prenant deux couches de graphène d’environ 20 micromètres de large et en les tordant par rapport à deux autres couches
Tableau récapitulatif de la découverte
| Caractéristique | Description |
|---|---|
| Matériau étudié | Graphène et matière quantique moirée |
| Méthode de mesure | Règle quantique développée par les chercheurs |
| Applications potentielles | Microélectronique, détecteurs de photons uniques, étalon de résistance électrique |
| Technique de fabrication | Empilement et torsion de couches de graphène |
| Publication | Revue Science |
Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Science. article : « A quantum ruler for orbital magnetism in moiré quantum matter » – DOI : 10.1126/science.adf2040
Légende illustration principale : L’illustration représente deux bicouches (deux doubles couches) de graphène que l’équipe du NIST a utilisées dans ses expériences pour étudier certaines des propriétés exotiques du matériau quantique moiré. L’encart de gauche présente une vue de dessus d’une partie des deux bicouches, montrant le motif moiré qui se forme lorsqu’une bicouche est tordue à un petit angle par rapport à l’autre. Credit: B. Hayes/NIST
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