Un nouvel effet quantique découvert dans le graphène naturel (scienceaq.com)
Image au microscope électronique à balayage d'un contacté, deux atomes d'épaisseur, flocon de graphène flottant librement avec un pont métallique flottant au-dessus. Crédit :Fabian Geisenhof/Jakob Lenz
D'habitude, la résistance électrique d'un matériau dépend beaucoup de ses dimensions physiques et de ses propriétés fondamentales. Dans des circonstances particulières, cependant, cette résistance peut adopter une valeur fixe, indépendante des propriétés de base du matériau et « quantifiée » (c'est-à-dire qu'elle évolue par paliers discrets plutôt que de façon continue). Cette quantification de la résistance électrique se produit normalement dans des champs magnétiques puissants et à très basse température lorsque les électrons se déplacent de manière bidimensionnelle. Maintenant, une équipe de recherche dirigée par l'Université de Göttingen a réussi à démontrer cet effet à basse température en l'absence presque totale de champ magnétique dans le graphène double couche d'origine naturelle, qui n'a que deux atomes d'épaisseur. Les résultats de l'étude ont été publiés dans La nature .
L'équipe de l'Université de Göttingen, L'Université Ludwig Maximilian de Munich et l'Université du Texas (Dallas) ont utilisé du graphène à deux couches sous sa forme naturelle. Les délicats flocons de graphène sont mis en contact à l'aide de techniques de microfabrication standard et le flocon est positionné de manière à pendre librement comme un pont, maintenus sur les bords par deux contacts métalliques. Les doubles couches extrêmement propres de graphène montrent une quantification de la résistance électrique à basse température et des champs magnétiques presque indétectables. En outre, le courant électrique circule sans aucune perte d'énergie. La raison en est une forme de magnétisme qui n'est pas générée de la manière habituelle comme on le voit dans les aimants conventionnels (c'est-à-dire par l'alignement des moments magnétiques intrinsèques des électrons), mais par le mouvement des particules chargées dans la double couche de graphène elle-même.
"En d'autres termes, les particules génèrent leur propre champ magnétique intrinsèque, ce qui conduit à la quantification de la résistance électrique, " déclare le professeur Thomas Weitz de l'université de Göttingen.
Les contacts dorés sont représentés en jaune, le graphène double couches rouge, et le pont métallique bleu. Crédit :Fabian Geisenhof/Jakob Lenz
La raison pour laquelle cet effet est spécial n'est pas seulement qu'il ne nécessite qu'un champ électrique, mais aussi qu'il existe en huit versions différentes qui peuvent être contrôlées par des champs magnétiques et électriques appliqués. Il en résulte un degré élevé de contrôle, car l'effet peut être activé et désactivé et le sens de déplacement des particules chargées peut être inversé.
« Cela en fait un candidat vraiment intéressant pour des candidatures potentielles, par exemple, dans le développement de composants informatiques innovants dans le domaine de la spintronique, ce qui pourrait avoir des implications pour le stockage des données, " dit Weitz. " De plus, c'est un avantage que nous puissions montrer cet effet dans un système comprenant un matériau simple et naturel. Cela contraste fortement avec les « hétérostructures récemment popularisées, ' qui nécessitent une composition complexe et précise de différents matériaux.
"D'abord, cependant, l'effet doit être étudié plus avant et des moyens de le stabiliser à des températures plus élevées doivent être trouvés, car actuellement il ne se produit qu'à un maximum de cinq degrés au-dessus du zéro absolu (ce dernier étant de 273 degrés au-dessous de 0 o C)."
L'empilement de matériaux 2D produit des résultats surprenants (scienceaq.com)
Prof. Ray Ashoori, post-doctorants Andrea Young et Ben Hunt, étudiant diplômé Javier Sanchez-Yamagishi, et le professeur Pablo Jarillo-Herrero. Photo :Groupes Jarillo-Herrero et Ashoori
(Phys.org) —Le graphène a ébloui les scientifiques, depuis sa découverte il y a plus d'une décennie, avec ses propriétés électroniques inégalées, sa solidité et sa légèreté. Mais un objectif longtemps recherché s'est avéré insaisissable :comment intégrer au graphène une propriété appelée bande interdite, ce qui serait nécessaire pour utiliser le matériau pour fabriquer des transistors et autres appareils électroniques.
Maintenant, les nouvelles découvertes des chercheurs du MIT sont une étape majeure vers la fabrication de graphène avec cette propriété convoitée. Les travaux pourraient également conduire à des révisions de certaines prédictions théoriques en physique du graphène.
La nouvelle technique consiste à placer une feuille de graphène, un matériau à base de carbone dont la structure n'a qu'un atome d'épaisseur, sur du nitrure de bore hexagonal, un autre matériau d'un atome d'épaisseur avec des propriétés similaires. Le matériau résultant partage l'étonnante capacité du graphène à conduire les électrons, tout en ajoutant la bande interdite nécessaire pour former des transistors et autres dispositifs semi-conducteurs.
Le travail est décrit dans un article de la revue Science co-écrit par Pablo Jarillo-Herrero, le professeur adjoint de développement de carrière Mitsui de physique au MIT, Professeur de physique Ray Ashoori, et 10 autres.
"En combinant deux matériaux, " dit Jarillo-Herrero, "nous avons créé un matériau hybride qui a des propriétés différentes de celles des deux."
Le graphène est un très bon conducteur d'électrons, tandis que le nitrure de bore est un bon isolant, bloquer le passage des électrons. "Nous avons fabriqué un semi-conducteur de haute qualité en les assemblant, " explique Jarillo-Herrero. Semi-conducteurs, qui peut basculer entre les états conducteur et isolant, sont la base de toute l'électronique moderne.
Pour faire fonctionner le matériau hybride, les chercheurs ont dû aligner, avec une quasi perfection, les réseaux atomiques des deux matériaux, qui sont tous deux constitués d'une série d'hexagones. La taille des hexagones (appelée constante de réseau) dans les deux matériaux est presque la même, mais pas tout à fait :ceux en nitrure de bore sont 1,8 pour cent plus gros. Ainsi, bien qu'il soit possible d'aligner les hexagones presque parfaitement au même endroit, sur une plus grande surface, le motif entre et sort du registre.
À ce point, les chercheurs disent qu'ils doivent se fier au hasard pour obtenir l'alignement angulaire des propriétés électroniques souhaitées dans la pile résultante. Cependant, l'alignement s'avère correct environ une fois sur 15, ils disent.
"Les qualités du nitrure de bore se déversent dans le graphène, " dit Ashoori. Mais ce qui est le plus "spectaculaire, " il ajoute, est que les propriétés du semi-conducteur résultant peuvent être "réglées" en faisant juste tourner légèrement une feuille par rapport à l'autre, permettant un éventail de matériaux avec des caractéristiques électroniques variées.
D'autres ont transformé le graphène en semi-conducteur en gravant les feuilles en rubans étroits, Ashoori dit, mais une telle approche dégrade considérablement les propriétés électriques du graphène. Par contre, la nouvelle méthode semble ne pas produire une telle dégradation.
La bande interdite créée jusqu'à présent dans le matériau est plus petite que celle nécessaire pour les appareils électroniques pratiques; trouver des moyens de l'augmenter nécessitera des travaux supplémentaires, disent les chercheurs.
"Si … une large bande interdite pouvait être conçue, il pourrait avoir des applications dans toute l'électronique numérique, " dit Jarillo-Herrero. Mais même à son niveau actuel, il ajoute, cette approche pourrait être appliquée à certaines applications optoélectroniques, comme les photodétecteurs.
Les résultats "nous ont agréablement surpris, " Achoori dit, et nécessitera quelques explications de la part des théoriciens. En raison de la différence dans les constantes de réseau des deux matériaux, les chercheurs avaient prédit que les propriétés de l'hybride varieraient d'un endroit à l'autre. Au lieu, ils ont trouvé une constante, et étonnamment grand, bande interdite sur toute la surface.
En outre, Jarillo-Herrero dit, l'ampleur du changement des propriétés électriques produit en assemblant les deux matériaux "est beaucoup plus grande que la théorie ne le prédit".
L'équipe du MIT a également observé un nouveau phénomène physique intéressant. Lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, le matériau présente des propriétés fractales - connues sous le nom de spectre d'énergie du papillon Hofstadter - qui ont été décrites il y a des décennies par des théoriciens, mais pensé impossible dans le monde réel. Il y a des recherches intenses dans ce domaine; deux autres groupes de recherche rendent également compte de ces effets de papillon Hofstadter cette semaine dans le journal La nature . (voir :graphène-papillons.html" target="_blank"> phys.org/news/2013-05-61387688 … 95e-papillons.html et phys.org/news287824835.html )
