Les matériaux 3D peuvent aussi être exotiques

Les matériaux bidimensionnels (2D), qui ne comportent qu’une seule couche d’atomes, sont au cœur des recherches scientifiques depuis des décennies. Ils présentent des propriétés dites « exotiques« , comme des formes inhabituelles de magnétisme ou de superconductivité, qui sont liées à la restriction du mouvement des particules subatomiques, comme les électrons, à deux dimensions seulement.

Ces propriétés pourraient avoir des applications considérables dans les domaines de l’informatique, de la communication, de l’énergie, et bien d’autres. Toutefois, jusqu’à présent, on pensait que ces propriétés exotiques n’étaient présentes que dans les couches simples ou les petits empilements de ces matériaux 2D.

Une découverte inattendue

Une publication du 19 juillet dans la revue Nature bouleverse cette conception. Menée par une équipe de chercheurs de l’Université de Washington, l’étude démontre qu’il est possible de conférer à du graphite – matériau 3D que l’on retrouve dans nos crayons – des propriétés physiques similaires à celles de son équivalent 2D, le graphène. Cette découverte surprenante suggère qu’il serait également possible de tester si d’autres matériaux « massifs » ou tridimensionnels peuvent adopter des propriétés similaires à celles des matériaux 2D.

L’équipe de chercheurs, comprenant également des membres de l’Université d’Osaka et de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon, a adapté une technique habituellement utilisée pour étudier et manipuler les propriétés des matériaux 2D : empiler des feuilles 2D avec un petit angle de torsion. Ils ont placé une seule couche de graphène sur un cristal de graphite mince, puis introduit un angle de torsion d’environ 1 degré entre le graphite et le graphène. Les chercheurs ont alors détecté des propriétés électriques novatrices, non seulement à l’interface torsadée, mais également en profondeur dans le graphite massif.

L’angle de torsion joue un rôle essentiel pour générer ces propriétés. Entre deux feuilles 2D, comme deux feuilles de graphène, un angle de torsion crée ce qu’on appelle un motif de moiré. Ce motif altère le flux de particules chargées comme les électrons et induit des propriétés exotiques dans le matériau.

Des propriétés exotiques dans les matériaux 3D

Dans les expériences menées par l’Université de Washington avec le graphite et le graphène, le motif de moiré a également été induit, avec des résultats surprenants. Bien que seule une feuille de graphène sur le cristal massif ait été torsadée, les chercheurs ont découvert que les propriétés électriques de l’ensemble du matériau étaient sensiblement différentes de celles du graphite typique. Lorsqu’ils ont activé un champ magnétique, les électrons en profondeur dans le cristal de graphite ont adopté des propriétés inhabituelles similaires à celles des électrons à l’interface torsadée.

« Bien que nous générions le motif de moiré uniquement à la surface du graphite, les propriétés qui en résultent se propageaient à travers tout le cristal », a déclaré l’auteur principal, Dacen Waters, chercheur postdoctoral en physique à l’Université de Washington.

Un potentiel immense

L’équipe de chercheurs pense que leur méthode d’introduction d’un angle de torsion entre le graphène et un cristal de graphite massif pourrait être utilisée pour créer des hybrides 2D-3D avec d’autres matériaux, comme le ditellurure de tungstène et le pentatellurure de zirconium. Cela pourrait ouvrir une nouvelle voie pour ré-ingenier les propriétés des matériaux massifs traditionnels en utilisant une simple interface 2D.

« Cette méthode pourrait devenir un terrain de jeu très riche pour l’étude de phénomènes physiques passionnants dans des matériaux aux propriétés 2D et 3D mélangées« , a déclaré Matthew Yankowitz, professeur assistant de physique et de science des matériaux à l’Université de Washington.

En synthèse

Les résultats de cette recherche remettent en question l’idée préconçue selon laquelle seuls les matériaux 2D peuvent présenter des propriétés exotiques. Cette découverte ouvre des perspectives inédites dans le domaine de la science des matériaux, suggérant que les matériaux 3D, ou massifs, pourraient être tout aussi utiles que les matériaux 2D pour impulser de nouvelles évolutions technologiques. Le défi consiste maintenant à explorer cette nouvelle voie et à comprendre comment exploiter au mieux ces propriétés.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un matériau 2D ? Un matériau 2D est un matériau dont toutes les particules sont alignées sur un même plan, il ne comporte qu’une seule couche d’atomes.

Qu’est-ce qu’un matériau 3D ? Un matériau 3D, ou matériau massif, est un matériau dont les particules peuvent se déplacer librement dans les trois dimensions de l’espace.

Qu’est-ce qu’un motif de moiré ? Un motif de moiré est un motif qui apparaît lorsque deux réseaux périodiques, comme deux couches de matériaux 2D, sont superposés avec un certain angle de décalage. Ce motif peut modifier le comportement des électrons dans le matériau et induire des propriétés exotiques.

Une équipe dirigée par l’Université de Washington a découvert qu’en empilant une feuille de graphène sur du graphite en vrac avec un petit angle de torsion (en haut), les propriétés « exotiques » présentes à l’interface graphène-graphite (en jaune) peuvent s’infiltrer dans le graphite lui-même. Crédit : Ellis Thompson