Le graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG) est un matériau à base de graphène avec une structure unique, composé de deux feuilles de graphène superposées avec un désalignement d’environ 1,1°. Cette structure unique s’est avérée héberger divers états intéressants, y compris des états isolants corrélés et une supraconductivité non conventionnelle.
Des études antérieures examinant MATBG ont également dévoilé l’émergence de ce que l’on appelle un régime métallique « étrange » à proximité du dôme supraconducteur, ainsi qu’un couplage électron-phonon considérablement amélioré. Bien que ces observations aient été confirmées par des travaux ultérieurs, les mécanismes exacts qui les sous-tendent restent flous.
Des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies de Barcelone, de l’Institut national des sciences des matériaux et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment examiné de plus près ces propriétés du MATBG en utilisant un diagramme de phase à basse température différent de ceux utilisés dans les travaux précédents. . Leur article, publié dans Physique naturelleont recueilli de nouvelles informations précieuses sur le comportement critique quantique du matériau.
« Les premiers rapports sur les propriétés de transport électrique du graphène bicouche torsadé ont révélé deux caractéristiques fascinantes : l’émergence de un régime métallique dit « étrange » au voisinage du dôme supraconducteur et un couplage électron-phonon fortement amélioré», a déclaré Alexandre Jaoui, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Pourtant, les deux caractéristiques partagent, sous certaines conditions, une signature commune : une résistivité linéaire en température. Une question qui s’est posée était : un seul mécanisme microscopique, les électrons diffusant des phonons, peut-il expliquer les deux observations précédentes ? Ou cette signature, dans la région des basses températures, indique-t-elle l’existence de centres de diffusion supplémentaires affectant les porteurs de charge ? »
Les réponses à ces questions jusqu’ici insaisissables ne peuvent être trouvées qu’en examinant le MATBG à basse température, où les phonons (c’est-à-dire les quasiparticules associées aux ondes telles que le son ou les vibrations) sont supprimés. Dans les dispositifs MATBG rapportés dans la littérature précédente, cependant, l’état fondamental métallique était généralement masqué par un réseau de transitions de phase.
« Nous avons proposé de profitez de nos appareils ‘filtrés’dans lequel les isolants corrélés sont supprimés, pour étudier le graphène à angle magique avec un diagramme de phase à basse température beaucoup plus simple : un seul dôme supraconducteur enfermé dans une phase métallique », a expliqué Jaoui. « Cela nous a permis de nous concentrer sur ce dernier état. «
Pour fabriquer leur structure MATBG, Jaoui et ses collègues ont utilisé une méthode « couper et empiler » souvent utilisée par les équipes de recherche examinant les hétérostructures 2D. Pour encapsuler leur appareil, ils ont utilisé une fine couche de nitrure de bore hexagonal (hBN).
« La proximité des couches de graphène avec la grille métallique nous permet de supprimer les états isolants à basse température et accorde ainsi un accès supplémentaire à l’état fondamental métallique », a déclaré Jaoui. « Nous avons ensuite collecté des mesures en utilisant des techniques de transport quantique conventionnelles (c’est-à-dire le transport électrique en courant continu).
Les mesures recueillies par Jaoui et ses collègues ont confirmé l’occurrence du même comportement «étrange» du métal signalé dans les études précédentes (c’est-à-dire une résistivité linéaire en T avec un taux de diffusion planckien). Cependant, l’étude de l’équipe montre que ce comportement s’étend à des températures bien inférieures à la température de Bloch-Grüneisen alors que le système a une température de Fermi finie. De plus, leurs découvertes mettent en évidence une signature supplémentaire de métallicité étrange, à savoir une magnétorésistance linéaire améliorée.
« Cependant, la partie la plus intéressante de cette étude est peut-être la récupération du comportement archétypal d’un métal dilué et corrélé désordonné, le comportement du liquide de Fermi, loin du dôme supraconducteur », a déclaré Jaoui. « Cette évolution suggère que des fluctuations d’une nature encore à déterminer dominent l’état fondamental métallique au voisinage du dôme supraconducteur et entraînent la résistivité linéaire à basse température. »
Dans l’ensemble, les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs suggèrent que les fluctuations quantiques et la supraconductivité dans MATBG pourraient être liées. À l’avenir, leurs travaux pourraient inspirer de nouvelles études examinant plus avant cette possibilité et la phase critique quantique observée dans cette étude.
« Nous étudions actuellement l’évolution de l’état fondamental métallique en fonction de » l’angle de torsion « du graphène bicouche torsadé », a ajouté Jaoui. « Il s’agit, de manière très simpliste, d’un bouton de réglage de la force des corrélations électroniques. Nous publierons bientôt un rapport supplémentaire sur l’état fondamental métallique du graphène bicouche torsadé. »
Alexandre Jaoui et al, Comportement critique quantique dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01556-5
Yuan Cao et al, Strange Metal in Magic-Angle Graphene with near Planckian Dissipation, Lettres d’examen physique (2020). DOI : 10.1103/PhysRevLett.124.076801
Hryhoriy Polshyn et al, Grande résistivité linéaire en température dans le graphène bicouche torsadé, Physique naturelle (2019). DOI : 10.1038/s41567-019-0596-3
Petr Stepanov et al, Délier les ordres isolants et supraconducteurs dans le graphène à angle magique, Nature (2020). DOI : 10.1038/s41586-020-2459-6
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