Selon une nouvelle étude, les électrons piégés voyageant dans des boucles circulaires à des vitesses extrêmes à l’intérieur des details quantiques de graphène sont très sensibles aux champs magnétiques externes et pourraient être utilisés comme nouveaux capteurs de champ magnétique dotés de capacités uniques.
Les électrons du graphène (une forme de carbone atomiquement mince) se comportent comme s’ils étaient sans masse, comme les photons, qui sont des particules de lumière sans masse. Bien que les électrons du graphène ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière, ils présentent la même relation énergie-impulsion que les photons et peuvent être décrits comme “extremely-relativistes”. Lorsque ces électrons sont confinés dans un issue quantique, ils se déplacent à grande vitesse en boucles circulaires autour du bord du issue.
“Ces boucles de courant créent des times magnétiques très sensibles aux champs magnétiques externes”, a expliqué Jairo Velasco Jr. professeur agrégé de physique à l’UC Santa Cruz. “La sensibilité de ces boucles de courant provient du fait que les électrons du graphène sont ultra-relativistes et se déplacent à grande vitesse.”
Velasco est l’auteur correspondant d’un write-up sur les nouvelles découvertes, publié le 6 mars dans Character Nanotechnology. Son groupe à l’UC Santa Cruz a utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour créer les details quantiques dans le graphène et étudier leurs propriétés. Ses collaborateurs sur le projet comprennent des scientifiques de l’Université de Manchester, au Royaume-Uni, et de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
“C’était un travail hautement collaboratif”, a déclaré Velasco. “Nous avons effectué les mesures dans mon laboratoire à l’UCSC, puis nous avons travaillé en étroite collaboration avec des physiciens théoriciens de l’Université de Manchester pour comprendre et interpréter nos données.”
Les propriétés optiques et électriques uniques des details quantiques – qui sont souvent constitués de nanocristaux semi-conducteurs – sont dues au fait que les électrons sont confinés dans une structure à l’échelle nanométrique, de sorte que leur comportement est régi par la mécanique quantique. Parce que la structure électronique qui en résulte est semblable à celle des atomes, les points quantiques sont souvent appelés “atomes artificiels”. L’approche de Velasco crée des details quantiques dans différentes formes de graphène en utilisant un “corral” électrostatique pour confiner les électrons rapides du graphène.
“Une partie de ce qui rend cela intéressant est la physique fondamentale de ce système et la possibilité d’étudier la physique atomique dans le régime extremely-relativiste”, a-t-il déclaré. “Dans le même temps, il existe des applications potentielles intéressantes pour cela en tant que nouveau sort de capteur quantique able de détecter des champs magnétiques à l’échelle nanométrique avec une résolution spatiale élevée.”
Des purposes supplémentaires sont également possibles, selon le co-leading auteur Zhehao Ge, un étudiant diplômé en physique de l’UCSC. “Les résultats de nos travaux indiquent également que les points quantiques de graphène peuvent potentiellement héberger un courant persistant géant (un courant électrique perpétuel sans avoir besoin d’une resource d’alimentation externe) dans un petit champ magnétique”, a déclaré Ge. “Un tel courant peut potentiellement être utilisé pour la simulation quantique et le calcul quantique.”
L’étude a porté sur les points quantiques dans le graphène monocouche et le graphène bicouche torsadé. Le graphène repose sur une couche isolante de nitrure de bore hexagonal, et une stress appliquée avec la pointe STM crée des costs dans le nitrure de bore qui servent à confiner électrostatiquement les électrons dans le graphène.
Bien que le laboratoire de Velasco utilise STM pour créer et étudier les details quantiques de graphène, un système in addition simple utilisant des électrodes métalliques dans un réseau de barres transversales pourrait être utilisé dans un dispositif de capteur magnétique. Étant donné que le graphène est très versatile, le capteur pourrait être intégré à des substrats flexibles pour permettre la détection du champ magnétique d’objets courbes.
“Vous pourriez avoir de nombreux factors quantiques dans un réseau, et cela pourrait être utilisé pour mesurer les champs magnétiques dans les organismes vivants, ou pour comprendre remark le champ magnétique est distribué dans un matériau ou un appareil”, a déclaré Velasco.
Les co-premiers auteurs de l’article sont Zhehao Ge, un étudiant diplômé du laboratoire de Velasco à l’UCSC, et Sergey Slizovskiy de l’Université de Manchester. Vladimir Fal’ko de l’Université de Manchester est un auteur correspondant, et les autres coauteurs sont Peter Polizogopoulos, Toyanath Joshi et David Lederman de l’UC Santa Cruz, et Takashi Taniguchi et Kenji Watanabe de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon. Ce travail a été financé en partie par la Nationwide Science Basis et le Army Investigate Office.