Des expériences avec des matériaux 2-D torsadés capturent des électrons qui se comportent ensemble


Des expériences avec des matériaux 2D torsadés capturent des électrons qui se comportent ensemble

Illustration d’un motif moiré créé lorsque deux couches de graphène bicouche sont empilées et tournées. Des états électroniques corrélés avec un ordre magnétique se produisent dans des graphiques bicouches torsadés sur une petite plage d’angles de torsion et peuvent être réglés avec un champ électrique et un champ électrique. Crédit photo: Matthew Yankowitz

Les scientifiques peuvent avoir des objectifs ambitieux: guérir des maladies, explorer des mondes lointains, des révolutions avec une énergie . Dans la recherche sur la physique et les , certains de ces objectifs ambitieux sont de fabriquer des objets au son normal avec des propriétés extraordinaires: des fils peuvent transporter de l’énergie sans perdre d’énergie, ou des ordinateurs quantiques capables d’effectuer des calculs complexes que les ordinateurs d’aujourd’hui ne peuvent pas. Et les nouveaux établis pour les expériences qui nous mènent progressivement vers ces objectifs sont des matériaux 2D – des feuilles de matériau qui sont une seule couche d’atomes d’épaisseur.

Dans un article publié dans le magazine le 14 septembre Physique naturelleUne équipe dirigée par l’Université de Washington rapporte que des piles de graphène soigneusement conçues – une forme 2D de carbone – peuvent avoir des propriétés électroniques fortement corrélées. L’équipe a également trouvé des preuves que ce type de comportement collectif est probablement lié à la création d’états magnétiques exotiques.

«Nous avons créé une configuration expérimentale qui nous permet de manipuler les électrons dans les couches de graphène de plusieurs nouvelles façons passionnantes», a déclaré le co-auteur principal Matthew Yankowitz, professeur adjoint de physique et de science des matériaux à l’UW en tant que chercheur à l’UW. Institut de l’énergie propre.

Yankowitz a dirigé l’équipe avec le co-auteur principal Xiaodong Xu, professeur UW de physique et de science et technologie des matériaux. Xu est également professeur à l’Institut UW pour la technologie et les sciences moléculaires, à l’Institut UW pour les systèmes nanotechniques et à l’Institut UW pour l’énergie propre.

Puisque les matériaux 2D sont une couche d’atomes épaisse, les liaisons entre les atomes ne sont formées que dans deux dimensions et les particules comme les électrons ne peuvent se déplacer que comme des parties d’un jeu de société: côte à côte, d’avant en arrière ou en diagonale, mais pas vers le haut ou vers le bas . Ces limitations peuvent donner aux matériaux 2-D des propriétés qui manquent à leurs homologues 3-D, et les scientifiques ont étudié des feuilles 2-D fabriquées à partir de divers matériaux pour caractériser et comprendre ces propriétés potentiellement utiles.

Des expériences avec des matériaux 2D torsadés capturent des électrons qui se comportent ensemble

Image au microscope optique d’un dispositif en graphène bicouche torsadé. Crédit photo: Matthew Yankowitz

Cependant, au cours de la dernière décennie, des scientifiques comme Yankowitz ont également commencé à superposer des matériaux 2D – comme une pile de crêpes – et ont constaté que lorsque ces couches sont empilées dans une configuration spécifique et tournées et exposées à des températures extrêmement basses, ces couches deviennent exotiques. et les matériaux exotiques peuvent avoir des propriétés inattendues.

L’équipe UW a travaillé avec des blocs de construction en graphène à deux couches: deux couches de graphène naturellement stratifiées. Ils ont empilé une bicouche l’une sur l’autre – pour un total de quatre couches de graphène – et les ont tordues de manière à ce que la disposition des atomes de carbone entre les deux bicouches ne corresponde pas légèrement. Des recherches antérieures ont montré que l’introduction de ces petits angles de torsion entre des couches individuelles ou des bicouches de graphène peut avoir des conséquences majeures sur le comportement de vos électrons. Avec des configurations spécifiques du champ électrique et de la répartition des charges sur les bicouches empilées, les électrons présentent un comportement fortement corrélé. En d’autres termes, ils commencent tous à faire la même chose – ou à afficher les mêmes propriétés – en même temps.

« Dans ces cas, il n’a plus de sens de décrire ce que fait un seul électron, mais ce que font tous les électrons en même temps », a déclaré Yankowitz.

«C’est comme avoir une salle pleine de , où changer le comportement d’une personne fait réagir tout le monde de la même manière», a déclaré l’auteur principal Minhao He, étudiant au doctorat en physique à l’UW et ancien employé du Clean Energy Institute.

La mécanique quantique sous-tend ces propriétés corrélées, et comme les bicouches de graphène empilées ont une densité de plus de 10 ^ 12 ou un billion d’électrons par centimètre carré, de nombreux électrons se comportent en commun.

L’équipe a essayé de résoudre certaines des énigmes des états corrélés dans leur configuration expérimentale. À des températures à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, l’équipe a constaté que le système pouvait être «réglé» sur un état d’isolation corrélé dans lequel il ne conduirait aucune charge électrique. Au voisinage de ces états isolants, l’équipe a trouvé des poches avec des états hautement conducteurs avec des caractéristiques qui ressemblent à la supraconductivité.

Bien que d’autres équipes aient récemment signalé ces conditions, l’origine de ces traits est restée un mystère. Cependant, le travail de l’équipe UW a trouvé des preuves d’une explication possible. Ils ont découvert que ces états semblaient être entraînés par une propriété mécanique quantique des électrons appelée «spin» – un type de moment cinétique. Dans les régions proches des états d’isolement corrélés, ils ont trouvé des preuves que tous les spins d’électrons s’alignent spontanément. Cela peut indiquer que près des zones avec des états d’isolement corrélés, une certaine forme de ferromagnétisme se produit – pas de supraconductivité. Cependant, des expériences supplémentaires devraient vérifier cela.

Ces découvertes sont le dernier exemple des nombreuses surprises qui vous attendent lors de l’expérimentation de matériaux 2D.

«Une grande partie de ce que nous faisons dans cette ligne de recherche consiste à essayer de créer, comprendre et contrôler les états électroniques émergents qui peuvent être corrélés, topologiques ou les deux», a déclaré Xu. « Nous pourrions faire beaucoup avec ces états à l’avenir – une forme d’ordinateur quantique, un nouveau dispositif de récupération d’énergie ou de nouveaux types de capteurs – et honnêtement, nous ne le saurons pas avant d’essayer. » «  »

En attendant, attendez-vous à ce que les piles, les bicouches et les angles de torsion continuent à onduler.


Les physiciens montrent un nouveau type d’état de Mott dans des doubles couches de graphène torsadé dans «l’angle magique»


Plus d’information:
Minhao He et al., Breaking Symmetry in a Twisted Double-Layer Graph, Physique naturelle (2020). DOI: 10.1038 / s41567-020-1030-6

Fourni par l’Université de Washington

Citation: Des expériences avec des matériaux 2-D torsadés piègent les électrons qui se comportent ensemble (6 octobre 2020) et ont été publiées le 17 octobre 2020 sur https://phys.org/news/2020-10-d-materials- electrons.html

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