La réinvention de la règle quantique grâce au graphène torsadé

Exploration des mystères du graphène torsadé

Dans un monde où la science et la technologie sont en constante évolution, les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs partenaires internationaux ont fait une percée majeure en créant une “règle quantique” pour explorer les propriétés fascinantes de la matière quantique de moiré, en utilisant le graphène torsadé. Cette découverte révolutionnaire, publiée dans la prestigieuse revue Science, a ouvert la porte à de nouvelles possibilités dans la manipulation des propriétés magnétiques des matériaux bidimensionnels, avec des implications potentielles pour l’avenir de la technologie des semi-conducteurs.

Le graphène : un matériau aux propriétés exotiques

Le graphène, depuis sa première isolation, a captivé l’imagination des chercheurs en raison de ses propriétés physiques et chimiques exceptionnelles. Il est composé d’une unique couche d’atomes de carbone arrangés en un motif hexagonal. Cependant, ce qui rend le graphène encore plus remarquable, ce sont ses incroyables propriétés mécaniques, sa conductivité électrique et thermique exceptionnelle.

Lorsque plusieurs couches de graphène sont superposées avec un léger décalage entre elles, un motif de moiré apparaît. Ce phénomène résulte de l’interférence entre les réseaux atomiques des couches superposées et légèrement décalées de graphène. Dans ce matériau, les électrons présentent une gamme d’énergies possibles, ressemblant à des “vallées” dans un paysage en forme de boîte à œufs, ce qui est déterminé par le champ électrique du matériau lui-même.

La dualité du graphène moiré

Le graphène moiré possède la capacité unique de générer ses propres champs magnétiques internes. Lorsqu’il est refroidi à des températures extrêmement basses, il devient un supraconducteur, permettant ainsi la conduction de l’électricité sans aucune résistance. À l’inverse, en tordant davantage le graphène, il peut également devenir un isolant parfait, empêchant totalement le passage des électrons. Cette dualité extraordinaire est d’un intérêt immense pour les chercheurs explorant de nouvelles applications dans le domaine des nanotechnologies et de l’électronique quantique.

Plongée dans la matière quantique de moiré

L’équipe de recherche dirigée par Joseph A. Stroscio, en collaboration avec Fereshte Ghahari de l’Université George Mason, s’est lancée dans une exploration approfondie de la matière quantique de moiré. Pour ce faire, ils ont commencé par prendre deux couches de graphène d’environ 20 micromètres de diamètre et les ont torsadées par rapport à deux autres couches pour créer le motif moiré.

Pour pouvoir étudier cette matière de manière approfondie, l’équipe a refroidi le système à une température extrêmement basse, à peine un centième de degré au-dessus du zéro absolu. À de telles températures, les mouvements thermiques des atomes sont minimisés, ce qui permet une observation plus précise des propriétés quantiques intrinsèques du système.

L’influence du champ magnétique externe

Les chercheurs ont ensuite appliqué un champ magnétique externe puissant au dispositif et ont observé comment cela affectait les niveaux d’énergie des électrons dans les couches de graphène. Les champs magnétiques ont la capacité de modifier les trajectoires des électrons, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles découvertes dans le domaine de la physique quantique.

La nouvelle règle quantique en action

Il est important de noter qu’au cours des dernières décennies, les scientifiques ont utilisé les oscillations magnétiques comme une “règle quantique” pour déterminer les propriétés électriques et magnétiques des matériaux. Cette règle, connue sous le nom de règle d’Onsager, repose sur la relation quantifiée entre les oscillations magnétiques et la surface de Fermi du matériau.

Cependant, les chercheurs ont découvert une nouvelle règle quantique lorsqu’ils ont varié le champ magnétique appliqué aux bicouches de graphène. Ils se sont appuyés sur la spectroscopie de niveau Landau, qui permet d’examiner les niveaux d’énergie quantifiés que les électrons occupent dans un matériau soumis à l’influence d’un champ magnétique.

Des résultats surprenants

L’équipe de recherche a révélé que, dans le cas des bicouches de graphène de moiré, la règle d’Onsager ne tenait plus. Au lieu de cela, le produit de ces deux nombres avait changé d’une quantité dépendant de la magnétisation des bicouches. Cette découverte inattendue suggère que le magnétisme orbital joue un rôle significatif dans les propriétés électroniques de la matière quantique de moiré.

Ces résultats pourraient approfondir notre compréhension des propriétés magnétiques et électroniques des matériaux quantiques, ouvrant ainsi la porte à de nouvelles applications passionnantes dans le domaine de la microélectronique et des domaines connexes. De plus, cette recherche pourrait également conduire au développement d’un nouvel étalon miniaturisé pour la résistance électrique, ce qui serait économiquement avantageux, à condition que la matière quantique moirée puisse maintenir une magnétisation nette en l’absence d’un champ magnétique externe.

Conclusion

La règle quantique réinventée grâce au graphène torsadé ouvre un nouveau chapitre passionnant dans notre compréhension de la matière quantique de moiré. Cette découverte prometteuse pourrait avoir un impact significatif sur les futures avancées technologiques, en particulier dans les domaines de la microélectronique, de la nanotechnologie et de l’électronique quantique. Les chercheurs continueront à explorer les mystères du graphène torsadé, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles découvertes et à des applications révolutionnaires.

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