Les champs magnétiques peuvent créer des bandes plates dans des couches de graphène torsadées pour créer un nouveau terrain de jeu pour la physique exotique, ont montré les physiciens du RIKEN.
Les propriétés exotiques du graphène, une couche unique d’atomes de carbone dans un réseau hexagonal, sont désormais bien établies. Les électrons se déplacent efficacement à travers le graphène comme s’ils n’avaient aucune masse. Il s’agit d’une perspective passionnante pour la création d’appareils électroniques dotés de fonctionnalités allant au-delà de celles du silicium.
Mais les choses deviennent encore plus étranges lorsque deux ou plusieurs couches de graphène sont combinées.
Lorsque deux feuilles présentant un motif répétitif sont superposées, un motif beaucoup plus grand apparaît lorsque l’une des feuilles est tournée. Deux couches de graphène présentent également ce que l’on appelle un motif moiré.
Cela conduit à un changement radical des propriétés. Par exemple, à des angles de torsion spécifiques, en ajustant le nombre d’électrons, le graphène bicouche peut présenter des comportements d’isolant corrélé ainsi que de supraconductivité.
Aujourd’hui, Ching-Kai Chiu et Congcong Le, tous deux du RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS), et leurs collègues ont montré que le graphène bicouche torsadé peut devenir un terrain de jeu encore plus riche pour la physique exotique en utilisant un champ magnétique variant spatialement. Leur étude est publié dans Lettres d’examen physique.
La structure de bande unique du graphène lui confère des propriétés électroniques particulières. « Le graphène est réputé pour avoir une structure de bande avec une relation linéaire entre l’énergie et l’impulsion d’un électron à certains points », explique Chiu.
Le fait d’avoir deux couches de graphène torsadées selon un angle modifie ces bandes. « Dans le graphène bicouche torsadé, à certains angles de torsion « magiques », ces bandes évoluent en bandes plates car le couplage intercouche entre les couches est ajusté au bon endroit », explique Chiu.
Dans ces bandes plates, l’énergie cinétique des électrons est minimisée, de sorte que les interactions entre électrons deviennent la force dominante. Les interactions électron-électron intenses conduisent à de nombreux phénomènes électroniques fortement corrélés tels que la supraconductivité non conventionnelle.
« La découverte d’électrons fortement corrélés dans des dispositifs en graphène bicouche torsadé à angle magique a à la fois choqué et enthousiasmé la communauté des physiciens », note Le.
Ces bandes plates sont dégénérées en deux fois : c’est-à-dire que deux états quantiques différents ont la même énergie. Chiu et son équipe ont maintenant démontré mathématiquement que l’introduction d’un champ magnétique spatialement alternatif donne naissance à des angles magiques supplémentaires et à des bandes plates qui sont quadruplement (quadruplement) dégénérées.
« Cette dégénérescence plus élevée pourrait potentiellement conduire à des phénomènes encore plus corrélés », explique Le. « Et la phase magnétique offre un nouveau degré de liberté supplémentaire pour adapter la structure de la bande électronique. »
La recherche se poursuit pour trouver d’autres matériaux présentant ces phénomènes. « Nous allons rechercher systématiquement de nouvelles plateformes qui hébergent des bandes plates », explique Chiu.
Plus d’informations :
Congcong Le et al, Bandes plates doubles et quadruples accordées par des flux magnétiques alternatifs dans le graphène bicouche torsadé, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.246401. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2210.13976