Comment les bosses dans les matériaux 2D pourraient faciliter les investigations quantiques

Les atomes font des choses étranges lorsqu’ils sont chassés de leur zone de confort. Les ingénieurs de l’Université Rice ont imaginé une nouvelle façon de leur donner un coup de pouce.

Le théoricien des matériaux Boris Yakobson et son équipe de la George R. Brown School of Engineering de Rice ont une théorie selon laquelle modifier le contour d’une couche de matériau 2D, modifiant ainsi les relations entre ses atomes, pourrait être plus simple à faire qu’on ne le pensait auparavant.

Alors que d’autres tordent les bicouches 2D – deux couches empilées – de graphène et autres pour changer leur topologie, les chercheurs de Rice suggèrent à travers des modèles informatiques que la croissance ou l’estampage de matériaux 2D monocouches sur une surface ondulée soigneusement conçue permettrait d’atteindre « un niveau sans précédent de contrôle » sur leurs propriétés magnétiques et électroniques.

Ils disent que la découverte ouvre une voie pour explorer les effets à plusieurs corps, les interactions entre plusieurs particules microscopiques, y compris les systèmes quantiques.

L’article de Yakobson et de deux anciens élèves, co-auteur principal Sunny Gupta et Henry Yu, de son laboratoire apparaît dans Communication Nature.

Les chercheurs ont été inspirés par des découvertes récentes selon lesquelles la torsion ou la déformation de bicouches de matériaux 2D comme le graphène bicouche en « angles magiques » induisaient des phénomènes électroniques et magnétiques intéressants, y compris la supraconductivité.

Leurs modèles montrent qu’au lieu de se tordre, le simple fait d’emboutir ou de faire pousser un matériau 2D comme le nitrure de bore hexagonal (hBN) sur une surface bosselée tend naturellement le réseau du matériau, lui permettant de former des champs pseudo-électriques et pseudo-magnétiques et éventuellement de produire de riches effets physiques. semblables à ceux que l’on trouve dans les matériaux tordus.

Le hBN plat est un isolant, mais les chercheurs ont découvert que la contrainte des atomes dans leur modèle créait des structures de bande, ce qui en faisait un semi-conducteur.

L’avantage de leur stratégie, a déclaré Gupta, est que la déformation serait hautement contrôlable à travers les bosses de surface, car les substrats pourraient être modelés avec précision en utilisant la lithographie par faisceau d’électrons. « Cela permettra également de modifier de manière contrôlée les états électroniques et les effets quantiques en concevant des substrats avec une topographie différente », a-t-il déclaré.

Parce que la charge peut être manipulée pour circuler dans une direction, le chemin qu’elle suit est un modèle pour les systèmes 1D. Yakobson a déclaré que cela peut être utilisé pour explorer les propriétés des systèmes quantiques 1D qui ne sont pas accessibles via le graphène torsadé.

« Imaginez une route à une seule voie telle que les voitures ne soient autorisées à se déplacer que dans une seule direction », a déclaré Gupta. « Une voiture ne peut pas dépasser celle qui la précède, donc la circulation ne se déplacera que lorsque toutes les voitures se déplaceront collectivement.

« Ce n’est pas le cas en 2D ou lorsque vous avez plusieurs voies, où les voitures – ou les électrons – peuvent passer », a-t-il déclaré. « Comme les voitures, les électrons d’un système 1D circuleront collectivement et non individuellement. Cela rend les systèmes 1D spéciaux avec une physique riche et inexplorée. »

Gupta a déclaré qu’il serait beaucoup plus facile de former un substrat bosselé avec un faisceau d’électrons qu’il ne l’est actuellement de tordre des bicouches 2D de graphène ou d’autres hétérostructures comme hBN à moins d’un degré de précision.

« De plus, on peut réaliser des états quantiques 1D, qui ne sont généralement pas accessibles en tordant des bicouches 2D », a-t-il déclaré. « Cela permettra d’explorer les effets physiques en 1D qui sont restés largement insaisissables jusqu’à présent. »