Une feuille de carbone d’un seul atome d’épaisseur, connue sous le nom de graphène, possède en soi des propriétés remarquables, mais les choses peuvent devenir encore plus intéressantes lorsque vous empilez plusieurs feuilles. Lorsque deux ou plusieurs feuilles de graphène sus-jacentes sont visiblement mal alignées – tordues selon certains angles les unes par rapport aux autres – elles prennent une pléthore d’identités exotiques. En fonction de l’angle de torsion, ces matériaux, connus sous le nom de matière quantique moirée, peuvent soudainement générer leurs propres champs magnétiques, deviennent des supraconducteurs à résistance électrique nulle, ou à l’inverse, se transforment en parfaits isolants.
Joseph A. Stroscio et ses collègues du Countrywide Institute of Specifications and Technologies (NIST), ainsi qu’une équipe internationale de collaborateurs, ont développé une « règle quantique » pour mesurer et explorer les propriétés étranges de ces matériaux tordus. Les travaux pourraient également conduire à un nouvel étalon miniaturisé pour la résistance électrique, able d’étalonner les appareils électroniques directement dans l’usine, éliminant ainsi le besoin de les envoyer à un laboratoire d’étalonnage hors web page.
Le collaborateur Fereshte Ghahari, physicien de l’Université George Mason à Fairfax, en Virginie, a pris deux couches de graphène (appelé graphène bicouche) d’environ 20 micromètres de diamètre et les a tordues par rapport à deux autres couches pour créer un dispositif de matière quantique moirée. Ghahari a fabriqué l’appareil en utilisant les installations de nanofabrication du Middle for Nanoscale Science and Technological innovation du NIST. Les chercheurs du NIST, Marlou Slot et Yulia Maximenko, ont ensuite refroidi ce dispositif matériel tordu à un centième de degré au-dessus du zéro absolu, réduisant ainsi les mouvements aléatoires des atomes et des électrons et augmentant la capacité des électrons du matériau à interagir. Après avoir atteint des températures ultra-basses, ils ont examiné comment les niveaux d’énergie des électrons dans les couches de graphène changeaient lorsqu’ils faisaient varier la drive d’un champ magnétique externe puissant. La mesure et la manipulation des niveaux d’énergie des électrons sont essentielles à la conception et à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs.
Pour mesurer les niveaux d’énergie, l’équipe a utilisé un microscope à effet tunnel polyvalent conçu et construit par Stroscio au NIST. Lorsque les chercheurs ont appliqué une rigidity aux bicouches de graphène dans le champ magnétique, le microscope a enregistré le minuscule courant provenant des électrons qui « s’échappaient » du matériau jusqu’à la pointe de la sonde du microscope.
Dans un champ magnétique, les électrons se déplacent selon des trajectoires circulaires. Habituellement, les orbites circulaires des électrons dans les matériaux solides ont une relation particulière avec un champ magnétique appliqué : la surface area délimitée par chaque orbite circulaire, multipliée par le champ appliqué, ne peut prendre qu’un ensemble de valeurs fixes et discrètes, en raison de la character quantique des électrons. Afin de maintenir ce produit fixe, si le champ magnétique est réduit de moitié, alors la zone entourée par un électron en orbite doit doubler. La différence d’énergie entre les niveaux d’énergie successifs qui suivent ce modèle peut être utilisée comme des graduations sur une règle pour mesurer les propriétés électroniques et magnétiques du matériau. Tout écart subtil par rapport à ce modèle représenterait une nouvelle règle quantique capable de refléter les propriétés magnétiques orbitales du matériau de moiré quantique particulier étudié par les chercheurs.
En fait, lorsque les chercheurs du NIST ont modifié le champ magnétique appliqué aux bicouches de graphène moiré, ils ont découvert la preuve de l’intervention d’une nouvelle règle quantique. La zone délimitée par l’orbite circulaire des électrons multipliée par le champ magnétique appliqué n’était additionally égale à une valeur fixe. Au lieu de cela, le produit de ces deux nombres s’était décalé d’une valeur dépendant de la magnétisation des bicouches.
Cet écart s’est traduit par un ensemble de graduations différentes pour les niveaux d’énergie des électrons. Les résultats promettent d’apporter un nouvel éclairage sur la façon dont les électrons confinés dans des feuilles de graphène torsadées donnent naissance à de nouvelles propriétés magnétiques.
« En utilisant la nouvelle règle quantique pour étudier la façon dont les orbites circulaires varient en fonction du champ magnétique, nous espérons révéler les propriétés magnétiques subtiles de ces matériaux quantiques moirés », a déclaré Stroscio.
Dans les matériaux quantiques moirés, les électrons ont une gamme d’énergies possibles – hautes et basses, en forme de boîte d’œufs – qui sont déterminées par le champ électrique des matériaux. Les électrons sont concentrés dans les états d’énergie inférieurs, ou vallées, du carton. Le grand espacement entre les vallées dans les bicouches, furthermore grand que l’espacement atomique dans n’importe quelle couche special de graphène ou dans plusieurs couches non tordues, explique certaines des propriétés magnétiques inhabituelles découvertes par l’équipe, a déclaré Paul Haney, physicien théoricien du NIST.
Les chercheurs, parmi lesquels des collègues de l’Université du Maryland à Higher education Park et du Joint Quantum Institute, un partenariat de recherche entre le NIST et l’Université du Maryland, ont décrit leurs travaux dans la revue Science.
L’équipe du NIST s’intéresse également à une autre software : dans de bonnes circumstances, la matière quantique moirée peut fournir une nouvelle norme as well as facile à utiliser pour la résistance électrique.
La présente norme est basée sur les valeurs de résistance discrètes qu’un matériau prend lorsqu’un champ magnétique puissant est appliqué aux électrons dans une couche bidimensionnelle. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Corridor quantique, provient des mêmes niveaux d’énergie quantifiés des électrons sur les orbites circulaires évoqués ci-dessus. Les valeurs de résistance discrètes peuvent être utilisées pour calibrer la résistance dans divers appareils électriques. Mais comme un champ magnétique essential est nécessaire, les étalonnages ne peuvent être effectués que dans un centre de métrologie tel que le NIST.
Si les chercheurs pouvaient manipuler la matière quantique moirée de manière à ce qu’elle ait une magnétisation nette même en l’absence d’un champ magnétique externe appliqué, a déclaré Stroscio, elle pourrait alors potentiellement être utilisée pour créer une nouvelle model portable de l’étalon de résistance le plus précis, connu sous le nom de l’étalon de résistance Corridor quantique anormale. Les étalonnages des appareils électroniques pourraient être effectués sur le website de fabrication, ce qui permettrait d’économiser des millions de bucks.
