Des physiciens créent une autoroute à cinq voies pour les électrons

Les physiciens et collègues du MIT ont créé une autoroute à cinq voies pour les électrons qui pourrait permettre une électronique ultra-efficace et bien plus encore. Les travaux, rapportés dans le numéro du 9 mai de Scienceest l’une des nombreuses découvertes importantes réalisées par la même équipe au cours de l’année dernière concernant un matériau qui est essentiellement une forme unique de mine de crayon.

« Cette découverte a des implications directes pour les appareils électroniques de faible puissance, car aucune énergie n’est perdue lors de la propagation des électrons, ce qui n’est pas le cas dans les matériaux ordinaires où les électrons sont dispersés », explique Long Ju, professeur adjoint au département de recherche du MIT. Physique et auteur correspondant de l’article.

Le phénomène s’apparente à celui des voitures circulant sur une autoroute à péage ouverte, par opposition à celles qui traversent les quartiers. Les voitures du quartier peuvent être arrêtées ou ralenties par d’autres conducteurs effectuant des arrêts brusques ou des demi-tours qui perturbent un trajet autrement fluide.

Un nouveau matériau

Le matériau à l’origine de ces travaux, connu sous le nom de graphène pentacouche rhomboédrique, a été découvert il y a deux ans par des physiciens dirigés par Ju. « Nous avons trouvé une mine d’or et chaque scoop révèle quelque chose de nouveau », explique Ju, qui est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Dans un Nature Nanotechnologie article d’octobre dernier, Ju et ses collègues ont rapporté la découverte de trois propriétés importantes découlant du graphène rhomboédrique. Par exemple, ils ont montré qu’il pouvait être topologique ou permettre le mouvement sans entrave des électrons autour du bord du matériau mais pas à travers le milieu. Cela a abouti à la construction d’une autoroute, mais a nécessité l’application d’un champ magnétique important, des dizaines de milliers de fois plus puissant que le champ magnétique terrestre.

Dans le cadre des travaux en cours, l’équipe rapporte avoir créé l’autoroute sans aucun champ magnétique.

Tonghang Han, étudiant diplômé en physique du MIT, est l’un des co-premiers auteurs de l’article. « Nous ne sommes pas les premiers à découvrir ce phénomène général, mais nous l’avons fait dans un système très différent. Et par rapport aux systèmes précédents, le nôtre est plus simple et prend également en charge davantage de canaux électroniques », explique Ju. « Les autres matériaux ne peuvent supporter qu’une seule voie de circulation en bordure du matériau. Nous l’avons soudainement augmenté à cinq. »

Les autres co-premiers auteurs de l’article qui ont contribué à parts égales au travail sont Zhengguang Lu et Yuxuan Yao. Lu est associé postdoctoral au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Yao a mené les travaux en tant qu’étudiant invité de premier cycle à l’Université Tsinghua. Les autres auteurs sont le professeur de physique Liang Fu du MIT ; Jixiang Yang et Junseok Seo, tous deux étudiants diplômés en physique du MIT ; Chiho Yoon et Fan Zhang de l’Université du Texas à Dallas ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Comment ça fonctionne

La mine de crayon, ou graphite, est composée de graphène, une seule couche d’atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d’abeille. Le graphène rhomboédrique est composé de cinq couches de graphène empilées dans un ordre spécifique qui se chevauchent.

Ju et ses collègues ont isolé le graphène rhomboédrique grâce à un nouveau microscope Ju construit au MIT en 2021, qui peut déterminer rapidement et à relativement peu de frais une variété de caractéristiques importantes d’un matériau à l’échelle nanométrique. Le graphène empilé rhomboédrique pentacouche n’a que quelques milliardièmes de mètre d’épaisseur.

Dans le cadre des travaux en cours, l’équipe a modifié le système d’origine en ajoutant une couche de bisulfure de tungstène (WS2). « L’interaction entre le WS2 et le graphène rhomboédrique pentacouche a donné naissance à cette autoroute à cinq voies qui fonctionne avec un champ magnétique nul », explique Ju.

Comparaison avec la supraconductivité

Le phénomène que le groupe Ju a découvert dans le graphène rhomboédrique, qui permet aux électrons de se déplacer sans résistance à un champ magnétique nul, est connu sous le nom d’effet Hall anormal quantique. La plupart des gens sont plus familiers avec la supraconductivité, un phénomène complètement différent qui a le même effet mais qui se produit dans des matériaux très différents.

Ju note que bien que les supraconducteurs aient été découverts dans les années 1910, il a fallu environ 100 ans de recherche pour amener le système à fonctionner aux températures plus élevées nécessaires aux applications. « Et le record du monde se situe encore bien en dessous de la température ambiante », note-t-il.

De même, l’autoroute du graphène rhomboédrique fonctionne actuellement à environ 2 Kelvin, ou -456 Fahrenheit. « Il faudra beaucoup d’efforts pour élever la température, mais en tant que physiciens, notre travail consiste à fournir des informations, une manière différente d’y parvenir. [phenomenon] », dit Ju.

Les découvertes impliquant le graphène rhomboédrique sont le résultat de recherches minutieuses dont l’efficacité n’était pas garantie. « Nous avons essayé de nombreuses recettes pendant plusieurs mois », explique Han, « c’était donc très excitant de refroidir le système à une température très basse et [a five-lane superhighway operating at zero magnetic field] vient de sortir. »

Ju dit : « C’est très excitant d’être le premier à découvrir un phénomène dans un nouveau système, en particulier dans un matériau que nous avons découvert. »