La nématicité est une nouvelle pièce dans le puzzle du diagramme de phases avec des graphiques à double bicouche


La nématicité est une nouvelle pièce dans un puzzle de diagramme de phase

Deux images spectroscopiques de 200 nm de large d’un échantillon de graphène torsadé. Sur la gauche se trouve le réseau triangulaire du matériau moiré, qui a triple symétrie et peut être tourné de 120 degrés dans n’importe quelle direction sans changer l’image. La deuxième image a été prise une énergie différente et ne peut maintenant être tournée que de 180 degrés. La formation de rayures reflète cette symétrie de rotation brisée et indique une phase nématique. Crédit photo : Carmen Rubio-Verdú

Bien que les couches torsadées constituées de graphes à deux couches aient été étudiées de manière intensive ces dernières années, des pièces manquent encore au puzzle qu’ son diagramme de phase – les divers états fondamentaux non perturbés du système. Courrier recommandé Physique naturelle, Carmen Rubio-Verdú et ses collègues ont trouvé une nouvelle pièce du puzzle : une phase nématique électronique.

D’abord décrite dans un autre état physique appelé cristal liquide, une phase nématique se produit lorsque des particules dans un matériau brisent une structure par ailleurs symétrique et s’alignent de manière lâche les unes avec les autres le long du même axe. Ce phénomène est à la de l’affichage LCD couramment utilisé dans les téléviseurs et les écrans d’ordinateur. Dans une phase nématique électronique, les particules en question sont des électrons dont le comportement et la disposition dans un matériau peuvent influencer la manière dont ce matériau conduit un courant électrique dans différentes directions.

« Les données sont incroyables », déclare le co-auteur Rafael Fernandes, physicien théoricien à l’Université du Minnesota qui a rencontré l’auteur principal Abhay Pasupathy en tant que boursier postdoctoral à Columbia. « Vous pouvez clairement voir qu’une symétrie est brisée. »

Les symétries brisées conduisent souvent à de nouveaux effets quantiques, a-t-il expliqué. Le graphène bicouche torsadé a généralement une triple symétrie – peu importe le nombre de fois que vous en faites pivoter une image en rotations de 120 degrés, elle reste la même. En utilisant la microscopie à effet tunnel et la spectroscopie pour enregistrer les propriétés électroniques des atomes individuels, Rubio-Verdú et ses collègues ont enregistré des graphiques tordus à différentes tensions. « Ce que nous voyons, ce sont des rayures », a-t-elle déclaré – ce sont des électrons qui se réalignent et brisent la symétrie de l’échantillon, même si le réseau atomique sous-jacent reste le même. Dans cette phase nématique observée, l’image ne peut désormais être réfléchie que de 180 degrés.

« Ces phases résultent d’interactions électron-électron », a déclaré Rubio-Verdú, membre Marie Skłodowska-Curie Actions, qui utilise Pasupathy pour étudier les phases électroniques dans les matériaux moirés tels que le graphène torsadé. « Trouver une nouvelle phase comme celle-ci est passionnante car cela ajoute à notre compréhension holistique des systèmes basés sur des graphes. »

Des expériences antérieures suggéraient qu’une telle phase électronique corrélée existait dans un graphe torsadé, mais il n’était pas clair si cela était réellement le résultat d’un étirement à travers le matériau torsadé. La tension peut également faire bouger les électrons, mais il s’agit plus d’un effet mécanique que d’un effet électronique, a expliqué Rubio-Verdú. Dans cette expérience, l’équipe a utilisé un échantillon de graphène tordu qui était relativement grand mais avait un allongement extrêmement faible – seulement 0,03 %. « Nous regardons des centaines de nanomètres et l’effet dure », a déclaré Rubio-Verdú. « Ceci est une véritable phase nématique électronique. »

En théorie, une telle phase pourrait exister dans n’importe quel matériau à base de graphène. Dans des travaux futurs, l’équipe souhaite étudier comment la phase nématique affecte la capacité du graphène bicouche torsadé à conduire le courant électrique.

Comprendre tout le comportement électronique des matériaux moirés comme le graphène torsadé pourrait un jour aider les physiciens à mieux comprendre une autre phase quantique appelée supraconductivité, dans laquelle un courant électrique traverse un matériau sans résistance. Cependant, cette phase se produit actuellement à des températures très basses – même les supraconducteurs dits à haute , qui sont utilisés dans des appareils tels que les appareils d’IRM, doivent être maintenus à près de 100 ° F en dessous de zéro. Bien que les matériaux moirés comme le graphène torsadé soient étudiés à des températures proches de -450 ° F, ils présentent des similitudes avec les supraconducteurs à haute température, a déclaré Rubio-Verdú, tels que les états supraconducteurs et isolants qui dépendent du dopage électronique.

Des questions fondamentales sur la nature des matériaux moirés se posent encore sur le terrain, mais la découverte d’une phase nématique électronique dans le graphène bicouche torsadé n’est qu’une autre pièce du puzzle qui est désormais en place. « Nous voyons la nématicité électronique dans une classe différente de composés », a déclaré Fernandes. « Puisque les gens trouvent toutes sortes de façons de tordre différentes couches, découvrons maintenant ce qui est commun et solide. »


L’observation des états corrélés et de la supraconductivité dans un graphe à trois couches torsadé


Plus d’information:
Carmen Rubio-Verdú et al., Phase nématique moirée dans le graphène bicouche bicouche torsadée, Physique naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41567-021-01438-2

Fourni par l’Université de Columbia

Devis: Nematicity est une nouvelle pièce du puzzle du diagramme de phase du graphe à double couche (2022, 6 janvier), accessible le 6 janvier 2022 à partir de https://phys.org/news/2022-01-nematicity-piece-bilayer -graphene- phase.html

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