La torsion d’une monocouche et d’une feuille bicouche de graphène en une structure à trois couches conduit à de nouveaux états de mécanique quantique. –

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  • Depuis la découverte du graphène il y a plus de 15 ans, les chercheurs se sont lancés dans une course mondiale pour libérer ses propriétés uniques. Non seulement le graphène – une feuille de carbone d’un atome d’épaisseur disposée en treillis hexagonal – est le matériau le plus solide et le plus fin connu de l’homme, mais c’est aussi un excellent conducteur de chaleur et d’électricité.

    Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université Columbia et de l’Université de Washington a découvert qu’une variété d’états électroniques exotiques, y compris une forme rare de magnétisme, peuvent apparaître dans une structure de graphène à trois couches.

    Les résultats apparaissent dans un article publié le 12 octobre dans Physique de la nature.

    Le travail a été inspiré par des études récentes de monocouches torsadées ou de bicouches torsadées de graphène, comprenant soit deux ou quatre feuilles au total. On a découvert que ces matériaux hébergeaient un éventail d’états électroniques inhabituels entraînés par de fortes interactions entre électrons.

    «Nous nous demandions ce qui se passerait si nous combinions des monocouches et des bicouches de graphène dans un système à trois couches torsadées», a déclaré Cory Dean, professeur de physique à l’Université Columbia et l’un des principaux auteurs de l’article. “Nous avons constaté que la variation du nombre de couches de graphène confère à ces matériaux composites de nouvelles propriétés intéressantes qui n’avaient pas été vues auparavant.”

    Outre le doyen, le professeur assistant Matthew Yankowitz et le professeur Xiaodong Xu, tous deux dans les départements de physique et de science des matériaux et d’ingénierie de l’Université de Washington, sont les auteurs principaux de ces travaux. L’étudiant diplômé de Columbia Shaowen Chen, et l’étudiant diplômé de l’Université de Washington Minhao He sont les co-auteurs principaux de l’article.

    Pour mener leur expérience, les chercheurs ont empilé une feuille monocouche de graphène sur une feuille bicouche et les ont tordues d’environ 1 degré. À des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, l’équipe a observé un ensemble d’états isolants – qui ne conduisent pas l’électricité – entraînés par de fortes interactions entre électrons. Ils ont également découvert que ces états pouvaient être contrôlés en appliquant un champ électrique à travers les feuilles de graphène.

    “Nous avons appris que la direction d’un champ électrique appliqué est très importante”, a déclaré Yankowitz, qui est également un ancien chercheur postdoctoral dans le groupe de Dean.

    Lorsque les chercheurs ont pointé le champ électrique vers la feuille de graphène monocouche, le système ressemblait à du graphène bicouche torsadé. Mais quand ils ont inversé la direction du champ électrique et l’ont pointé vers la feuille de graphène bicouche, il a imité le graphène bicouche tordu – la structure à quatre couches.

    L’équipe a également découvert de nouveaux états magnétiques dans le système. Contrairement aux aimants conventionnels, qui sont entraînés par une propriété mécanique quantique des électrons appelée «spin», un mouvement tourbillonnant collectif des électrons dans la structure à trois couches de l’équipe sous-tend le magnétisme, ont-ils observé.

    Cette forme de magnétisme a été découverte récemment par d’autres chercheurs dans diverses structures de graphène reposant sur des cristaux de nitrure de bore. L’équipe a maintenant démontré qu’il peut également être observé dans un système plus simple construit entièrement avec du graphène.

    “Le carbone pur n’est pas magnétique”, a déclaré Yankowitz. “Remarquablement, nous pouvons concevoir cette propriété en disposant nos trois feuilles de graphène juste aux bons angles de torsion.”

    En plus du magnétisme, l’étude a révélé des signes de topologie dans la structure. Semblable au fait de nouer différents types de nœuds dans une corde, les propriétés topologiques du matériau peuvent conduire à de nouvelles formes de stockage d’informations, qui “peuvent être une plate-forme pour le calcul quantique ou de nouveaux types d’applications de stockage de données écoénergétiques”, a déclaré Xu.

    Pour l’instant, ils travaillent sur des expériences pour mieux comprendre les propriétés fondamentales des nouveaux états qu’ils ont découverts dans cette plateforme. “Ce n’est vraiment que le début”, a déclaré Yankowitz.

    Source de l’histoire:

    Matériaux fourni par Université Columbia. Original écrit par Carla Cantor. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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