Comportement électronique exquis jamais observé auparavant dans le graphène

Des chercheurs du MIT ont découvert une formation en couches de graphène possédant des propriétés magnétiques et électroniques passionnantes qui n’ont jamais été observées auparavant dans aucun matériau.

Le graphène est une couche de carbone d’un atome d’épaisseur et possède en soi des propriétés inhabituelles. Les atomes sont disposés dans un réseau hexagonal et le matériau est très résistant et peut conduire l’électricité. Les chercheurs ont pris du graphite, le matériau contenu dans un crayon, et en ont séparé les couches les plus fines. Ils en ont ensuite disposé cinq en forme de losange – comme un bloc incliné – et ont mesuré leurs propriétés.

Premièrement, ce graphène à 5 couches présentait une étrange propriété magnétique – appelée état « multi-ferroïque » – qui est très rare. Si le magnétisme non conventionnel ne suffisait pas, il présentait également un type unique de comportement électronique que l’équipe a appelé une vallée de fer, qui est à l’origine de l’état multi-fer.

« Le graphène est un matériau merveilleux », a déclaré le chef d’équipe Long Guo, professeur adjoint de physique au MIT, lors d’une conférence de presse. déclaration. « Chaque couche que vous ajoutez vous donne un matériau fondamentalement nouveau. C’est la première fois que nous voyons la vallée du fer, le magnétisme non conventionnel, dans cinq couches de graphène. Mais nous ne voyons pas cette propriété dans une, deux, trois. » , ou quatre couches.

La disposition des couches et le placement de l’échantillon près du zéro absolu permettent l’apparition d’interactions entre électrons. Certaines interactions quantiques jouent un rôle dans la création du comportement global du système.

« Dans cinq couches, les électrons se trouvent dans un environnement de réseau où ils se déplacent très lentement, afin qu’ils puissent interagir efficacement avec d’autres électrons », a ajouté Gu. « C’est à ce moment-là que les effets de liaison électronique commencent à prendre le dessus et qu’ils peuvent commencer à se coordonner dans certains arrangements de fer préférés. »

La première propriété du fer est que tous les électrons coordonnent leur mouvement orbital, de la même manière que les électrons d’un aimant ordinaire s’alignent le long de leur spin. La deuxième propriété ferreuse tourne autour des « vallées », qui sont les deux états de plus basse énergie que les électrons du graphène peuvent occuper. Normalement, les électrons ne font pas la distinction entre l’un et l’autre. Mais dans le matériau à cinq couches, ils en choisissent une plutôt que l’autre.

Ces deux propriétés conduisent à un multiferromagnétisme complet, de sorte que des champs magnétiques peuvent être appliqués au matériau pour atteindre plusieurs états préférés. Ceux-ci peuvent être utiles dans des applications offrant une efficacité supérieure à celle des matériaux et dispositifs conventionnels.

« Avoir des propriétés multi-fers dans un seul matériau signifie que si vous pouvez économiser l’énergie et le temps nécessaires pour écrire un disque dur magnétique, vous pouvez également stocker deux fois plus d’informations par rapport aux appareils traditionnels », a expliqué Gu.

L’article discutant des résultats est publié dans la revue nature.