Des chercheurs observent des excitations interbandes collectives dans du graphène bicouche torsadé


Des chercheurs observent des excitations interbandes collectives dans du graphène bicouche torsadé

Visualisation artistique de suggestions collectives qui démarrent et se développent dans un graphe bicouche torsadé. Crédit photo : Matteo Ceccanti.

Le graphène bicouche torsadé est un matériau bidimensionnel (2D) à base de carbone composé de deux couches de graphène. Bien que de nombreux scientifiques aient récemment commencé à étudier son potentiel de supraconductivité et de magnétisme, très peu d’études optiques l’ont examiné à ce jour.

Le graphène à deux couches torsadé peut avoir propriétés très différentes de celles des couches de graphène individuelles, en particulier si les deux couches qui le composent sont tournées d’un petit angle, d’environ 1 degré, l’une par rapport à l’autre. L’étude et l’étude de ces propriétés pourraient être très précieuses car elles pourraient à terme améliorer la compréhension actuelle de la supraconductivité et faciliter son utilisation dans le développement de nouveaux dispositifs.

Des chercheurs de l’Institut des sciences photoniques de Barcelone et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), ainsi que d’autres instituts dans le monde, ont récemment mené une étude pour étudier les excitations collectives de graphes bicouches torsadés avec une résolution spatiale de 20 nm. en utilisant une technique optique connue sous le nom de microscopie optique à infrarouge moyen en champ . Leurs efforts, décrits dans un article publié dans Physique naturelle, a conduit à l’observation d’excitations collectives interbandes dans le matériau.

« Le graphène bicouche torsadé est intéressant pour les expériences optiques, notamment en raison des bandes plates combinées à la première bande d’énergie excitée, qui est également relativement plate », a déclaré à Phys.org Niels Hesp, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. « Comme prédit dans les travaux théoriques précédents, cela permet une forte transition inter-bandes aux énergies infrarouges qui le rend accessible même à température ambiante. Nos expériences visaient à examiner les excitations collectives qui découlent de ces transitions optiques. »

La microscopie optique en champ proche est une technique avancée qui peut être utilisée pour étudier les propriétés optiques d’une surface de matériau avec une résolution de ~ 20 nm, ce qui est bien en dessous de la limite de diffraction, le point auquel les systèmes optiques commencent à mal imager les objets ( c’est-à-dire que les images deviennent floues). Dans cette technique, la lumière est couplée dans un échantillon via une pointe très pointue, qui fournit également l’impulsion nécessaire pour démarrer les plasmons interbandes.

Des chercheurs observent des excitations interbandes collectives dans du graphène bicouche torsadé

Structure de bande du graphe bicouche torsadé avec un angle de torsion de 1,35°, comme le dispositif principal à l’étude. Les bandes d’énergie rouges sont connues comme les bandes plates typiques du TBG, tandis que les bandes bleues sont les bandes distantes. Les excitations collectives sont créées par les fortes transitions inter-bandes entre la bande distante et la bande plate (flèches noires). Source : Hesp et al.

« Grâce à une longue collaboration avec le groupe de Pablo Jarrillo-Herrero au MIT, nous avons eu un accès rapide à leurs échantillons », a déclaré Hesp. « En fait, l’un des échantillons qu’ils ont réalisés pour nous en 2016 a été le premier à montrer l’état d’isolement de Mott. La première observation de plasmons interbandes dans un graphe bicouche torsadé a été une surprise pendant les mesures car nous ne savions pas vraiment à quoi « nous attendre ».

Les mesures optiques recueillies par Hesp et ses collègues ont révélé un mode de propagation du plasmon dans un graphe bicouche torsadé à charge neutre qui est significativement différent du plasmon intrabande observé dans un graphe monocouche. Dans leurs travaux, l’équipe suggère qu’il pourrait s’agir d’un plasmon interbande associé aux transitions optiques entre minibandes qui proviennent de la structure de superréseau moiré du matériau.

« Nos travaux montrent que le graphe bicouche torsadé est tout aussi intéressant pour les études optiques, d’autant plus qu’il s’agit du premier système dans lequel la propagation interbande de plasmons a été observée avec un facteur de qualité raisonnable », a déclaré Hesp. « Cette excitation se produit même dans un état non dopé, de sorte qu’aucune tension externe n’est requise. Bien que les applications réelles soient bien avancées, il représente un autre composant de la « boîte à outils plasmonique » qui fonctionne vers des circuits optiques intégrés à l’échelle nanométrique. »

Les observations fournissent de nouvelles informations précieuses sur les propriétés caractéristiques du graphène bicouche torsadé, un matériau supraconducteur prometteur. À l’avenir, leurs travaux pourraient ainsi contribuer au développement de divers nouveaux composants optiques et circuits intégrés.

« Étant donné que les structures de graphène torsadées forment une classe de matériaux qui abritent de nombreux phénomènes fascinants, nous venons tout juste de commencer le voyage », explique le professeur Koppens, responsable de l’étude. « Notre objectif est maintenant d’enregistrer les états corrélés à des températures cryogéniques avec un système optique. À cette fin, nous avons installé un nouveau type de microscope en champ proche pouvant fonctionner jusqu’à 5K, dans lequel nous examinons l’interaction de la lumière avec les électrons en interaction forte. Cette technique s’avère très sensible aux propriétés électroniques du TBG et pourrait éventuellement pointer vers les mécanismes physiques des phénomènes supraconducteurs et magnétiques. »


Des chercheurs une rupture de symétrie translationnelle dans le graphène bicouche torsadé


Plus d’information:
Niels CH Hesp et al., Observation des excitations collectives interbandes dans les graphes bicouches torsadés, Physique naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41567-021-01327-8

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Citation: Des chercheurs observent des excitations interbandes collectives dans des graphes bicouches torsadés (2021, 28 octobre), consulté le 29 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-interband-bilayer-graphene.html

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