Des physiciens du Massachusetts Institute of Technology transforment un crayon en « or » électronique.

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont découvert des propriétés uniques du graphite en empilant cinq couches de graphène selon un agencement précis. Ce graphène empilé à cinq couches peut présenter des propriétés isolantes, magnétiques ou topologiques, ce qui représente une découverte importante en physique des matériaux utilisant des techniques innovantes de microscopie à l’échelle nanométrique.

Isolation en feuille mince qui peut être ajustée pour présenter trois propriétés importantes.

Massachusetts Institute of Technology Les physiciens ont transformé au sens figuré du graphite, ou un crayon, en or en isolant cinq flocons ultrafins empilés dans un arrangement spécifique. Le matériau résultant peut ensuite être réglé pour présenter trois propriétés importantes jamais vues auparavant dans le graphite naturel.

« C’est comme un guichet unique », déclare Long Guo, professeur adjoint au département de physique du MIT et responsable de la recherche publiée dans le numéro du 5 octobre de la revue. Nanotechnologie naturelle. « La nature réserve beaucoup de surprises. Dans ce cas, nous n’avions jamais réalisé que toutes ces choses intéressantes étaient en graphite.

Par ailleurs, « il est très rare de trouver des matériaux capables d’héberger autant de propriétés », précise-t-il.

L’essor de la « Twistronique »

Le graphite est composé de GraphèneIl s’agit d’une seule couche d’atomes de carbone disposés en formes hexagonales ressemblant à une structure en nid d’abeille. Le graphène, quant à lui, a fait l’objet d’intenses recherches depuis sa première isolation il y a environ 20 ans. Il y a environ cinq ans, des chercheurs, dont une équipe du MIT, ont découvert qu’empiler des feuilles individuelles de graphène et les tordre légèrement les unes par rapport aux autres pouvait conférer de nouvelles propriétés au matériau, de la supraconductivité au magnétisme. Le domaine de la « twistronique » était né.

Dans les travaux en cours, « nous avons découvert des propriétés intéressantes sans aucune torsion », explique Gu, qui est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux.

Une démonstration artistique de la liaison des électrons, ou de la capacité des électrons à communiquer entre eux, qui peut se produire dans un type spécial de graphite (crayon). Source de l’image : Sampson Wilcox, laboratoire de recherche en électronique du MIT

Lui et ses collègues ont découvert que cinq couches de graphène disposées dans un ordre spécifique permettent aux électrons se déplaçant dans le matériau de communiquer entre eux. Ce phénomène, connu sous le nom de corrélation électronique, « est la magie qui rend toutes ces nouvelles propriétés possibles », explique Joe.

Le graphite en vrac – et même des feuilles de graphène simples – sont de bons conducteurs électriques, mais c’est tout. Le matériau isolé par Gu et ses collègues, qu’ils appellent graphène empilé à cinq couches, devient bien plus grand que la somme de ses parties.

Le nouveau microscope et ses découvertes

La clé pour isoler la matière était A Nouveau microscope Joe au MIT en 2021 pourra déterminer une variété de propriétés importantes de la matière rapidement et à relativement peu de frais. Échelle nanométrique. Le graphène empilé avec la couche pentaédrique n’a que quelques milliardièmes de mètre d’épaisseur.

Les scientifiques, dont Gu, recherchaient du graphène multicouche empilé selon un arrangement très précis, appelé empilement rhombique. « Il y a plus de 10 ordres d’empilement possibles lorsque l’on descend à cinq couches », explique Joe. « Le rhomboédrique n’est que l’un d’entre eux. » Le microscope fabriqué par Joe, connu sous le nom de microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion, ou s-SNOM, a permis aux scientifiques d’identifier et d’isoler uniquement les cinq couches, en s’intéressant à l’ordre d’empilement rhombique.

Des phénomènes physiques aux multiples facettes

À partir de là, l’équipe a attaché des électrodes à un petit sandwich composé de « pain » de nitrure de bore qui protège la fine « viande » du graphène pentaédrique empilé. Les électrodes leur ont permis d’ajuster le système à différentes tensions ou différentes quantités. Le résultat : ils ont découvert que trois phénomènes différents apparaissent en fonction du nombre d’électrons inondant le système.

Zhengguang Lu, chercheur postdoctoral au MIT, le professeur adjoint Long Ju et l’étudiant diplômé Tonghang Han sont dans le laboratoire. Tous trois sont les auteurs d’un article dans la revue Nature Nanotechnology sur un type spécial de graphite (mine de crayon), ainsi que sept autres. Crédit : GoLab

« Nous avons découvert que la matière peut être isolante, magnétique ou topologique », explique Gu. Ce dernier est lié dans une certaine mesure à la fois aux conducteurs et aux isolants. Joe explique qu’un matériau topologique permet un mouvement sans entrave des électrons autour des bords du matériau, mais pas au milieu. Les électrons se déplacent dans une direction le long d’une « autoroute » située à la limite du matériau, séparée par un milieu qui forme le centre du matériau. Ainsi, le bord d’un matériau topologique est un conducteur parfait, tandis que le centre est un isolant.

« Notre travail établit le graphène multicouche empilé rhombique comme une plate-forme hautement réglable pour étudier ces nouvelles possibilités de physique topologique et fortement couplée », concluent Guo et ses co-auteurs dans Nanotechnologie naturelle.

Référence : « Isolateurs cohérents diélectriques et Chern dans du graphène empilé à cinq couches » par Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park et Long Ju, 5 octobre 2023, Nanotechnologie naturelle.
est ce que je: 10.1038/s41565-023-01520-1

Outre Gu, les auteurs de l’article sont Tonghang Han et Zhenguang Lu. Han est un étudiant diplômé au Département de physique. Lu est chercheur postdoctoral au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Ce sont les premiers auteurs de l’article.

Les autres auteurs sont Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang et Hongkun Park de l’Université Harvard ; Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux du Japon et Tianyi Han du Massachusetts Institute of Technology for Physics.

Ce travail a été soutenu par une bourse Sloan ; Fondation nationale de la science des États-Unis ; Bureau du sous-secrétaire à la Défense pour la recherche et l’ingénierie ; Société japonaise pour la promotion de la science KAKENHI ; La principale initiative de recherche internationale au monde au Japon ; et le Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force.