Rien au monde n’est parfait. Cela est également vrai dans la recherche sur les matériaux. Dans les simulations informatiques, on représente souvent un système de manière très idéalisée ; par exemple, on calcule les propriétés qu’aurait un cristal absolument parfait. Dans la pratique, cependant, nous devons toujours faire face à des effets supplémentaires : des défauts dans le réseau cristallin, des particules supplémentaires qui s’attachent au matériau, des interactions complexes entre les particules. La question cruciale est donc la suivante : ces effets supplémentaires inévitables modifient-ils ou non les propriétés du matériau ?
Ceci est particulièrement intéressant dans le cas du graphène, un matériau bidimensionnel, constitué d’une seule couche d’atomes de carbone. On sait depuis longtemps que le graphène possède d’excellentes propriétés électroniques. Cependant, la stabilité de ces propriétés n’était pas claire jusqu’à présent. Sont-ils détruits par des perturbations et des effets supplémentaires, inévitables dans la pratique, ou restent-ils intacts ?
Des chercheurs de la TU Wien (Vienne) ont réussi à développer un modèle informatique complet de structures réalistes de graphène. Il s’est avéré que les effets recherchés sont très stables. Même les morceaux de graphène qui ne sont pas tout à fait parfaits peuvent être bien utilisés pour des applications technologiques. C’est une bonne nouvelle pour la communauté mondiale du graphène. La recherche est publiée dans la revue Carbone.
De nombreux chemins mènent à travers le graphène
« Nous calculons à l’échelle atomique comment le courant électrique se propage dans un minuscule morceau de graphène », explique le professeur Florian Libisch de l’Institut de physique théorique de la TU Wien. « Un électron peut se déplacer de différentes manières à travers la matière. Selon les règles de la physique quantique, il n’est pas nécessaire de choisir l’une de ces voies ; l’électron peut emprunter plusieurs voies en même temps. »
Ces différents chemins peuvent alors se chevaucher de différentes manières. À des valeurs d’énergie très spécifiques, les chemins s’annulent ; à cette énergie, la probabilité que des électrons traversent le morceau de graphène est très faible et le courant électrique est minime. C’est ce qu’on appelle une « interférence destructrice ».
« Le fait que le flux de courant diminue considérablement à des valeurs d’énergie très spécifiques pour des raisons de physique quantique est un effet technologiquement hautement souhaitable », explique Libisch. « Cela peut être utilisé, par exemple, pour traiter des informations à une échelle minuscule, de la même manière que les composants électroniques des puces informatiques. »
On peut également l’utiliser pour développer de nouveaux capteurs quantiques. Supposons qu’un morceau de graphène ne conduise pratiquement aucun courant. Puis, tout à coup, une molécule venue de l’extérieur se fixe à la surface du graphène. « Cette molécule modifie légèrement les propriétés électroniques du morceau de graphène, et cela peut déjà suffire à augmenter soudainement le flux de courant de manière assez drastique », explique le Dr Robert Stadler. « Cela pourrait être utilisé pour fabriquer des capteurs extrêmement sensibles. »
De nombreuses interférences possibles
Mais les effets physiques qui jouent un rôle dans les détails sont très compliqués. « La taille et la forme du morceau de graphène ne sont pas toujours les mêmes, et il existe des interactions à plusieurs corps entre plusieurs électrons qui sont très difficiles à calculer mathématiquement. Il peut y avoir des atomes supplémentaires indésirables à certains endroits, et les atomes vacillent toujours un peu. « Tout cela doit être pris en compte pour pouvoir décrire le graphène de manière vraiment réaliste », explique le Dr Angelo Valli.
C’est exactement ce qui a été réalisé à la TU Wien : Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian et Florian Libisch ont des années d’expérience dans la description correcte de différents effets dans les matériaux dans des modèles informatiques. En combinant leur expertise, ils ont maintenant réussi à développer un modèle informatique complet qui inclut toutes les sources d’erreurs et effets de perturbation pertinents qui existent dans les graphiques.
Et ce faisant, ils ont pu montrer que même en présence de ces sources d’erreurs, les effets souhaités restent visibles. Il est encore possible de trouver une certaine énergie à laquelle le courant ne circule que dans une très faible mesure en raison des effets quantiques. Des expériences avaient déjà montré que cela était plausible, mais il manquait jusqu’à présent une étude théorique systématique.
Cela prouve que le graphène n’a pas besoin d’être parfait pour être utilisé dans les technologies de l’information quantique ou la détection quantique. Pour la recherche appliquée dans ce domaine, il s’agit d’un message important : les efforts mondiaux visant à utiliser les effets quantiques du graphène de manière contrôlée sont en effet prometteurs.
Plus d’information:
Angelo Valli et al, Stabilité des antirésonances d’interférence quantique destructrices dans le transport d’électrons à travers des nanostructures de graphène, Carbone (2023). DOI : 10.1016/j.carbon.2023.118358