Un matériau composé de deux couches de carbone d'un atome d'épaisseur a attiré l'attention des physiciens du monde entier pour ses propriétés conductrices intrigantes - et potentiellement exploitables.




Le Dr Fan Zhang, professeur adjoint de physique à la School of Pure Sciences and Mathematics de l'Université du Texas à Dallas

Les physiciens trouvent que les feuilles de carbone mal alignées donnent des propriétés inégalées

De une à deux couches

Le graphène est une seule couche d'atomes de carbone disposés selon un motif plat en nid d'abeille, où chaque hexagone est formé de 6 atomes de carbone à ses sommets. Depuis le leading isolement du graphène en 2004, ses propriétés uniques ont été intensément étudiées par les scientifiques pour une utilisation potentielle dans des ordinateurs, des matériaux et des appareils avancés.

Si deux feuilles de graphène sont empilées l'une sur l'autre et qu'une couche est tournée de manière à ce que les couches soient légèrement désalignées, la configuration physique résultante, appelée graphène bicouche torsadé, donne des propriétés électroniques qui diffèrent considérablement de celles présentées par un seul couche seule ou par deux couches alignées.



"Le graphène est intéressant depuis approximativement 15 ans", a déclaré Zhang. "Une seule couche est intéressante à étudier, mais si nous avons deux couches, leur conversation devrait rendre la physique beaucoup moreover riche et intéressante. C'est pourquoi nous voulons étudier les systèmes de graphène bicouche."

Un nouveau champ émerge

Lorsque les couches de graphène sont mal alignées, une nouvelle conception périodique dans le maillage émerge, appelée motif moiré. Le motif moiré est également un hexagone, mais il peut être composé de furthermore de 10 000 atomes de carbone.

"L'angle auquel les deux couches de graphène sont désalignées - l'angle de torsion - est d'une importance cruciale pour les propriétés électroniques du matériau", a déclaré Wang. "Furthermore l'angle de torsion est petit, as well as la périodicité du moiré est grande."

Les effets inhabituels d'angles de torsion spécifiques sur le comportement des électrons ont été proposés pour la première fois dans un report de 2011 du Dr Allan MacDonald, professeur de physique à l'UT Austin, et du Dr Rafi Bistritzer. Zhang a été témoin de la naissance de ce domaine en tant qu'étudiant au doctorat dans le groupe de MacDonald.

"A cette époque, d'autres ne prêtaient vraiment aucune consideration à la théorie, mais maintenant c'est devenu sans doute le sujet le as well as brûlant de la physique", a déclaré Zhang.

Dans cette recherche de 2011, MacDonald et Bistritzer ont prédit que l'énergie cinétique des électrons peut disparaître dans une bicouche de graphène mal alignée par le soi-disant «angle magique» de 1,1 degrés. En 2018, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technological innovation ont prouvé cette théorie, constatant que la payment de deux couches de graphène de 1,1 degré produisait un supraconducteur bidimensionnel, un matériau qui conduit le courant électrique sans résistance et sans perte d'énergie.

Dans un short article de 2019 dans Science Developments, Zhang et Wang, ainsi que le groupe du Dr Jeanie Lau à l'Université d'État de l'Ohio, ont montré que lorsqu'il était décalé de, 93 degrés, le graphène bicouche torsadé présentait à la fois des états supraconducteurs et isolants, élargissant ainsi considérablement l'angle magique.

"Dans nos travaux précédents, nous avons vu la supraconductivité ainsi que l'isolation. C'est ce qui fait de l'étude du graphène bicouche torsadé un champ si chaud - la supraconductivité. Le fait que vous puissiez manipuler du carbone pur en supraconducteur est incroyable et sans précédent", a déclaré Wang.

Nouveaux résultats de l'UT Dallas

Zhang et ses collaborateurs à Yale ont étudié si et remark le graphène bicouche tordu interagissait avec la lumière infrarouge moyenne, que les humains ne peuvent pas voir mais peuvent détecter sous forme de chaleur. "Les interactions entre la lumière et la matière sont utiles dans de nombreux appareils - par exemple, la conversion de la lumière du soleil en énergie électrique", a déclaré Wang. "Presque tous les objets émettent de la lumière infrarouge, y compris les personnes, et cette lumière peut être détectée avec des appareils."

Zhang est un physicien théoricien, alors lui et Wang ont cherché à déterminer comment la lumière infrarouge moyenne pouvait affecter la conductance des électrons dans le graphène bicouche torsadé. Leur travail consistait à calculer l'absorption de la lumière sur la foundation de la framework de bande du motif de moiré, un concept qui détermine comment les électrons se déplacent mécaniquement dans un matériau quantique.

"Il existe des méthodes regular pour calculer la composition de bande et l'absorption de la lumière dans un cristal ordinaire, mais il s'agit d'un cristal artificiel, nous avons donc dû trouver une nouvelle méthode", a déclaré Wang. En utilisant les ressources du Texas Innovative Computing Heart, une installation de supercalculateur sur le campus de l'UT Austin, Wang a calculé la construction de bande et a montré remark le matériau absorbe la lumière.

8 degrés 5 degré.

"Nos résultats théoriques non seulement correspondaient bien aux résultats expérimentaux, mais ont également souligné un mécanisme qui est fondamentalement lié à la période du motif de moiré, qui lui-même est lié à l'angle de torsion entre les deux couches de graphène", a déclaré Zhang.

L'étape suivante

"L'angle de torsion est clairement très vital pour déterminer les propriétés du graphène bicouche torsadé", a ajouté Zhang. "La query se pose: pouvons-nous appliquer cela pour régler d'autres matériaux bidimensionnels pour obtenir des caractéristiques sans précédent? En outre Par exemple, est-ce que briller une lumière peut induire ou moduler en quelque sorte la supraconductivité? sera très intéressant à étudier. "

«Cette nouvelle percée permettra potentiellement une nouvelle classe de détecteurs infrarouges à foundation de graphène à haute sensibilité», a déclaré le Dr Joe Qiu, directeur de programme pour l'électronique et l'électromagnétique à semi-conducteurs au US Army Investigation Business office (ARO), un élément du Laboratoire de recherche de l'armée du Commandement de développement des capacités de fight de l'armée américaine. "Ces nouveaux détecteurs auront un influence potentiel sur des applications telles que la eyesight nocturne, qui est d'une relevance cruciale pour l'armée américaine."

En additionally des chercheurs de Yale, d'autres auteurs comprenaient des scientifiques de l'Institut national pour la science des matériaux au Japon. L'ARO, la National Science Foundation et l'Office of Naval Analysis ont soutenu l'étude.