Ces dernières années, les physiciens ont découvert des matériaux capables de faire passer leur caractère électrique d’un métal à un isolant, et même à un supraconducteur, qui est un matériau dans un état sans frottement qui permet aux électrons de circuler sans résistance. Ces matériaux, qui comprennent le graphène “à angle magique” et d’autres matériaux bidimensionnels synthétisés, peuvent décaler les états électriques en fonction de la rigidity ou du courant d’électrons qui est appliqué.
La physique sous-jacente à ces matériaux commutables est un mystère, bien que les physiciens soupçonnent qu’elle a quelque chose à voir avec les “corrélations électroniques” ou les effets de l’interaction ressentie entre deux électrons chargés négativement. Ces répulsions de particules n’ont que peu ou pas d’effet sur la development des propriétés de la plupart des matériaux. Mais dans les matériaux bidimensionnels, ces interactions quantiques peuvent avoir une affect dominante. Comprendre remark les corrélations électroniques pilotent les états électriques peut aider les scientifiques à concevoir des matériaux fonctionnels exotiques, tels que des supraconducteurs non conventionnels.
Maintenant, les physiciens du MIT et d’ailleurs ont fait un pas significatif vers la compréhension des corrélations électroniques. Dans un posting paru aujourd’hui dans Science, les chercheurs révèlent des preuves directes de corrélations électroniques dans un matériau bidimensionnel appelé graphène tricouche ABC. Il a déjà été démontré que ce matériau passe d’un métal à un isolant à un supraconducteur.
Pour la première fois, les chercheurs ont détecté directement des corrélations électroniques dans un état isolant spécial du matériau. Ils ont également quantifié les échelles d’énergie de ces corrélations, ou la force des interactions entre les électrons. Les résultats démontrent que le graphène tricouche ABC peut être une plate-forme idéale pour explorer et éventuellement concevoir d’autres corrélations d’électrons, telles que celles qui entraînent la supraconductivité.
“Une meilleure compréhension de la physique sous-jacente de la supraconductivité nous permettra de concevoir des dispositifs qui pourraient changer notre monde, de la transmission d’énergie sans perte aux trains à lévitation magnétique”, déclare l’auteur principal Extensive Ju, professeur adjoint de physique au MIT. “Ce matériau est désormais un terrain de jeu très riche pour explorer les corrélations électroniques et construire des phénomènes et des dispositifs encore in addition robustes.”
Super réseau
Un graphène tricouche ABC, empilé sur une couche de nitrure de bore hexagonal, est similaire au graphène bicouche à angle magique in addition bien étudié, en ce que les deux matériaux impliquent des couches de graphène – un matériau que l’on trouve naturellement dans le graphite et qui peut présenter des propriétés exceptionnelles. propriétés lorsqu’il est isolé dans sa forme pure. Le graphène est fabriqué à partir d’un réseau d’atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal, semblable à du grillage à poule. Le nitrure de bore hexagonal, ou hBN, a un motif hexagonal similaire légèrement moreover grand.
Dans le graphène tricouche ABC, trois feuilles de graphène sont empilées au même angle et légèrement décalées les unes des autres, comme des tranches de fromage en couches. Lorsque le graphène tricouche ABC repose sur hBN à un angle de torsion de zéro degré, la framework résultante est un motif moiré, ou “tremendous-réseau”, composé de puits d’énergie périodiques, dont la configuration détermine la façon dont les électrons traversent le matériau.
“Cette framework de réseau force les électrons à se localiser et prépare le terrain pour que les corrélations d’électrons aient un effects énorme sur la propriété macroscopique du matériau”, a déclaré Ju.
Lui et ses collègues ont cherché à sonder le graphène tricouche ABC pour une preuve directe des corrélations électroniques et pour mesurer leur force. Ils ont d’abord synthétisé un échantillon du matériau, créant un tremendous-réseau avec des puits d’énergie, chacun pouvant normalement contenir deux électrons. Ils ont appliqué juste assez de rigidity pour remplir chaque puits du réseau.
Boost d’électrons
Ils ont ensuite recherché des signes indiquant que le matériau était dans un état idéal pour que les corrélations électroniques dominent et affectent les propriétés du matériau. Ils ont spécifiquement recherché des signes d’une construction “à bande plate”, où tous les électrons ont presque la même énergie. L’équipe a estimé qu’un environnement hébergeant des électrons avec une large gamme d’énergies serait trop bruyant pour que la petite énergie des corrélations d’électrons ait un effet. Un environnement plus plat et additionally calme permettrait à ces effets de se manifester.
L’équipe a utilisé une procedure optique distinctive qu’elle a développée pour confirmer que le matériau a bien une bande plate. Ils ont ensuite légèrement baissé la tension, de sorte qu’un seul électron occupait chaque puits du réseau. Dans cet état “à moitié rempli”, le matériau est considéré comme un isolant Mott – un état électrique curieux qui devrait être capable de conduire l’électricité comme le métal, mais à la place, en raison des corrélations électroniques, le matériau se comporte comme un isolant.
Ju et ses collègues voulaient voir s’ils pouvaient détecter l’effet de ces corrélations d’électrons dans un état isolant Mott à moitié rempli. Ils ont cherché à voir ce qui se passerait s’ils perturbaient l’état en déplaçant des électrons. Si les corrélations électroniques ont un effet, de telles perturbations des configurations électroniques rencontreraient une résistance, puisque les électrons se repoussent naturellement. Par exemple, un électron qui tente de se déplacer vers un puits voisin serait repoussé par l’électron occupant déjà ce puits, même si ce puits peut techniquement accueillir un électron supplémentaire.
Afin de surmonter cette résistance, il faudrait une augmentation supplémentaire d’énergie – juste assez pour surmonter la répulsion naturelle de l’électron. L’équipe a estimé que l’ampleur de cette augmentation serait une mesure directe de la power de la corrélation électronique.
Les chercheurs ont fourni le coup de pouce supplémentaire en utilisant la lumière. Ils ont projeté une lumière de différentes couleurs, ou longueurs d’onde, sur le matériau et ont recherché un pic ou une seule longueur d’onde spécifique absorbée par le matériau. Cette longueur d’onde correspondait à un photon avec juste assez d’énergie pour envoyer un électron dans un puits voisin à moitié rempli.
Dans leur expérience, l’équipe a en effet observé un pic – la première détection directe de corrélations électroniques dans ce matériau de super-réseau moiré spécifique. Ils ont ensuite mesuré ce pic pour quantifier l’énergie de corrélation, ou la power de la force répulsive de l’électron. Ils ont déterminé qu’il s’agissait d’environ 20 milliélectronvolts, soit 1/50 d’électronvolt.
Les résultats montrent que de fortes corrélations électroniques sous-tendent la physique de ce matériau 2D particulier. Ju dit que l’état isolant de Mott est particulièrement vital, motor vehicle c’est l’état father or mother de la supraconductivité non conventionnelle, dont la physique reste illusoire. Avec cette nouvelle étude, l’équipe a démontré que le super-réseau ABC tricouche graphen/hBN moiré est une plate-forme idéale pour explorer et concevoir les états électriques les plus exotiques, y compris la supraconductivité non conventionnelle.
“Aujourd’hui, la supraconductivité ne se produit qu’à des températures très basses dans un cadre réaliste”, take note Ju, qui affirme que la technique optique de l’équipe peut être appliquée à d’autres matériaux 2D pour révéler des états exotiques similaires. “Si nous pouvons comprendre le mécanisme de la supraconductivité non conventionnelle, nous pourrons peut-être augmenter cet effet à des températures moreover élevées. Ce matériau constitue une foundation pour comprendre et concevoir des états et des dispositifs électriques encore plus robustes.”
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Basis, la Simons Basis et le programme MIT Skoltech.