Le graphite transformé en ‘or’ par des physiciens du MIT

Dans une découverte étonnante, des physiciens du MIT ont réussi à transformer le graphite, communément connu sous le nom de mine de crayon, en un matériau aux propriétés inédites. En isolant cinq fines couches de graphite empilées dans un ordre spécifique, ils ont créé un matériau qui peut être ajusté pour présenter trois propriétés importantes jamais observées auparavant dans le graphite naturel.

Une découverte surprenante

Long Ju, professeur assistant au département de physique du MIT et leader de ce travail, a déclaré : « La nature a beaucoup de surprises. Dans ce cas, nous n’avions jamais réalisé que toutes ces choses intéressantes sont intégrées dans le graphite ». Il a ajouté que « c’est très rare de trouver des matériaux qui peuvent accueillir autant de propriétés ».

Le graphite est composé de graphène, qui est une seule couche d’atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d’abeille. Le graphène a été l’objet de recherches intensives depuis qu’il a été isolé pour la première fois il y a environ 20 ans. Puis, il y a environ cinq ans, des chercheurs, dont une équipe du MIT, ont découvert que l’empilement de feuilles individuelles de graphène, et leur torsion à un léger angle l’une par rapport à l’autre, peut conférer de nouvelles propriétés au matériau, de la supraconductivité au magnétisme. Le domaine de la « twistronique » est né.

Des propriétés intéressantes sans torsion

Dans le travail actuel, « nous avons découvert des propriétés intéressantes sans torsion du tout », a indiqué Long Ju, qui est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Lui et ses collègues ont découvert que cinq couches de graphène disposées dans un certain ordre permettent aux électrons se déplaçant à l’intérieur du matériau de communiquer entre eux. Ce phénomène, connu sous le nom de corrélation électronique, « est la magie qui rend toutes ces nouvelles propriétés possibles », a t-il ajouté.

Le graphite en vrac – et même les feuilles individuelles de graphène – sont de bons conducteurs électriques, mais c’est tout. Le matériau les scientifiques ont isolé, qu’ils appellent le graphène empilé en rhomboèdre pentacouche, devient bien plus que la somme de ses parties.

Un microscope novateur

La clé pour isoler le matériau a été un microscope novateur que Long Ju a construit au MIT en 2021, qui peut rapidement et relativement à peu de frais déterminer une variété de caractéristiques importantes d’un matériau à l’échelle nanométrique. Le graphène empilé en rhomboèdre pentacouche n’a que quelques milliardièmes de mètre d’épaisseur.

Les scientifiques cherchaient du graphène multicouche qui était empilé dans un ordre très précis, connu sous le nom d’empilement rhomboédrique. Le professeur Ju a expliqué : « il y a plus de 10 ordres d’empilement possibles lorsque vous passez à cinq couches. Le rhomboédrique n’est qu’un d’entre eux ».

Le microscope connu sous le nom de Microscopie Optique à Proximité de type Diffusion, ou s-SNOM, a permis aux scientifiques d’identifier et d’isoler uniquement les pentacouches dans l’ordre d’empilement rhomboédrique qui les intéressait.

Trois en un

À partir de là, l’équipe a attaché des électrodes à un minuscule sandwich composé de «pain» de nitrure de bore qui protège la délicate « viande » de graphène empilé en rhomboèdre pentacouche. Les électrodes leur ont permis d’ajuster le système avec différentes tensions, ou quantités d’électricité. Le résultat : ils ont découvert l’émergence de trois phénomènes différents en fonction du nombre d’électrons inondant le système. « Nous avons constaté que le matériau pouvait être isolant, magnétique ou topologique », a précisé le professeur Ju.

En synthèse

En somme, cette découverte établit le graphène empilé en rhomboèdre multicouche comme une plateforme hautement ajustable pour étudier ces nouvelles possibilités de physique fortement corrélée et topologique. C’est une avancée significative dans la compréhension des propriétés du graphène et ouvre la voie à de nouvelles applications potentielles dans divers domaines de la technologie.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le graphène ?

Le graphène est une seule couche d’atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d’abeille. Il est le composant principal du graphite.

Qu’est-ce que la « twistronique » ?

La «twistronique» est un domaine de recherche qui a émergé après la découverte que l’empilement de feuilles individuelles de graphène, et leur torsion à un léger angle l’une par rapport à l’autre, peut conférer de nouvelles propriétés au matériau, de la supraconductivité au magnétisme.

Qu’est-ce que le graphène empilé en rhomboèdre pentacouche ?

Le graphène empilé en rhomboèdre pentacouche est un matériau créé par l’empilement de cinq couches de graphène dans un ordre spécifique. Ce matériau présente des propriétés inédites, notamment la possibilité d’être isolant, magnétique ou topologique.

Qu’est-ce qu’un matériau topologique ?

Un matériau topologique permet le mouvement non entravé des électrons autour des bords d’un matériau, mais pas à travers le milieu. Les électrons se déplacent dans une seule direction le long d’une « autoroute » au bord du matériau séparée par une médiane qui constitue le centre du matériau. Ainsi, le bord d’un matériau topologique est un conducteur parfait, tandis que le centre est un isolant.

Quelle est l’importance de cette découverte ?

Cette découverte établit le graphène empilé en rhomboèdre multicouche comme une plateforme hautement ajustable pour étudier ces nouvelles possibilités de physique fortement corrélée et topologique. C’est une avancée significative dans la compréhension des propriétés du graphène et ouvre la voie à de nouvelles applications potentielles dans divers domaines de la technologie.

Légende illustration principale : Représentation artistique de la corrélation électronique, ou capacité des électrons à communiquer entre eux, qui peut se produire dans un type particulier de graphite (mine de crayon). Credit: Sampson Wilcox, MIT Research Laboratory of Electronics

MIT Department of Physics, Nature Nanotechnology, Materials Research Laboratory

Article : « Correlated insulator and Chern insulators in pentalayer rhombohedral-stacked graphene » – https://www.nature.com/articles/s41565-023-01520-1